Elektrogyenge kölcsönhatás
Ez a szócikk nem tünteti fel a független forrásokat, amelyeket felhasználtak a készítése során. Emiatt nem tudjuk közvetlenül ellenőrizni, hogy a szócikkben szereplő állítások helytállóak-e. Segíts megbízható forrásokat találni az állításokhoz! Lásd még: A Wikipédia nem az első közlés helye. |
Az elektrogyenge kölcsönhatás elmélete – vagy Glashow–Weinberg–Salam-modell – két alapvető kölcsönhatás, az elektromágnesség (kvantum-elektrodinamika, QED) és a gyenge kölcsönhatás egyesítéséből született meg. Az erős kölcsönhatást leíró kvantum-színdinamika (QCD) mellett a standard modell egyik alappillére. Az elmélet szerint az elektrogyenge kölcsönhatást a nyugalmi tömeg nélküli foton valamint három nagy tömegű társa a W+, W- és Z0 közvetíti.
Története
[szerkesztés]A kvantum-elektrodinamika 1950-es évekbeli látványos sikerét követően kísérletet tettek arra, hogy a gyenge kölcsönhatást is mértékelméleti alapokra helyezzék. Ez a próbálkozás 1968 környékén az elektromágnesesség és a gyenge kölcsönhatás egyesített elméletébe torkollott, melyért Sheldon Lee Glashow, Steven Weinberg és Abdus Salam 1979-ben fizikai Nobel-díjat kapott. Elméletük az elektrogyenge kölcsönhatás elmélete nem csak a béta-bomláshoz szükséges W-bozonokat, hanem egy elektromosan semleges bozont a Z-t is megjósolt.
Az a tény, hogy a W- és Z-bozonok tömeggel rendelkeznek, míg a foton tömeg nélküli komoly gátja volt az elektrogyenge elmélet kifejlesztésének. Ezek a részecskék egy úgynevezett SU(2) szimmetriával írhatóak le, de ezeknek a bozonoknak eszerint a mértékelmélet szerint tömeg nélkülieknek kellene lenniük. Valóban, a foton azért tömeg nélküli, mert az elektromágnesességet az U(1) mértékelmélet írja le. Valamilyen jelenségre volt szükség, mely az SU(2) szimmetriát megtöri, tömeget adva a W- és Z-bozonoknak. Egy magyarázatot, a Higgs-mechanizmust, Peter Higgs talált ki az 1960-as évek végére, és Steven Weinberg dolgozta ki részletesen. Ez egy újabb részecske létezését jósolta meg, az úgynevezett Higgs-bozonét.
Az gyenge kölcsönhatás SU(2) mértékelméletének, az elektromágneses kölcsönhatásnak, és a Higgs-mechanizmusnak a kombinációját nevezik Glashow–Weinberg–Salam-modellnek. Jelenleg széles körben elfogadott a részecskefizika standard modelljének egyik alapjaként. 1983 óta a standard modell egyetlen kísérletileg meg nem erősített előrejelzése a Higgs-bozon létezése volt, amelyre utaló jeleket végül a CERN-ben 2012-ben észleltek, majd 2013-ban az adatok ellenőrzését követően megerősítettek. Peter Higgs a felfedezésért Nobel-díjat kapott, az elméleti jóslat és a gyakorlati bizonyíték között 45 év telt el.
Az elméletet 1973-ban indirekt módon a semleges áramok (NC) felfedezésével, 1983-ban direkt úton a W- és Z-bozonok felfedezésével kísérletileg igazolták. A megtalált bozonok tömegét az elmélet elég pontosan megjósolta.
Az elektrogyenge elmélet fő tulajdonságai
[szerkesztés]A Lagrange-függvény
[szerkesztés]Az elektrogyenge Lagrange-függvény hasonló (a szín-, íz- és spinindexeket elhagyva) a kvantum-színdinamikáéhoz.
ahol g és g' a két elektrogyenge csatolási állandó, Ti a három Pauli-mátrix, itt a gyenge izospin generátorai, Y pedig a hipertöltés U(1) generátora.
A Lagrange-függvény: előkészítéséhez mind a négy mértékmezőre képezni kell a térerősségtenzort a kovariáns deriválással, majd a Lagrange-függvényhez fel kell írni:
- mind a négy mértékmezőre a dinamikus tagot a térerősségtenzorral (szabad sugárzási terek és vektorbozon önkölcsönhatások)
- az összes fermiondubllettre (kvark és lepton) fel kell írni az anyagi tér és a kovariáns derivált "kölcsönhatását", ami magában foglalja a szabad fermion tagokat és a kölcsönhatási tagokat. A tömegeket ezen a ponton nullának kell választani, azokat majd a Higgs-mechanizmus szolgáltatja
- fel kell írni a Higgs-mezőt tartalmazó tagokat
Gyenge keveredési szög
[szerkesztés]A határozott tömegállapotok a W3 és B semleges mértékbozonok lineáris kombinációi lesznek a következők szerint:
ahol ΘW a kísérletileg meghatározandó gyenge keveredési szög, A a fotonmező, Z a Z0-bozon mezője. A töltött W-bozonokat a következő kombinációk adják:
A gyenge mértékbozonok tömegére igaz a következő összefüggés:
Csatolási állandók
[szerkesztés]Az elektrogyenge egyesítés kapcsolatot teremt a két elektrogyenge csatolási állandó és az e elektromos töltés között a gyenge keveredési szögön keresztül:
A skalármezők (Higgs-bozon)
[szerkesztés]A spontán szimmetriasértés végrehajtására egy skalár gyenge izospin dublettet (és a konjugáltját) kell az elméletben elhelyezni:
ahol a Φ± Goldstone-bozonok (a negatív előjelű a konjugált dublettben van) a W± bozonokkal egyesülnek a Higgs-mechanizmus során, az utóbbiakat tömegessé téve, a χ Goldstone-bozon pedig a Z-bozon longitudinális komponensével egyesül. H a tömeges Higgs-bozon és v az ő vákuum-várhatóértéke.
A Lagrange-függvényben szerepel:
- A skalármezők dinamikus tagja a kovarián deriválással, ez adja a szabad Higgs-bozon és a Higgs-mértékbozon kölcsönhatási tagokat
- A skalármezők önkölcsönhatása – ez felelős a spontán szimmetriasértésért és ez adja a Higgs-bozon önkölcsönhatását
- Yukawa-kölcsönhatási tag a skalármezők és minden fermion között – ezek adnak tömeget a fermionoknak és adják a Higgs-fermion kölcsönhatásokat
A skalármezők önkölcsönhatása
[szerkesztés]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3e/Spontaneous_symmetry_breaking.jpg)
A skalárpotenciál alakja a következő:
ahol az első tag negatív előjele biztosítja, hogy ne az eltűnő Φ esete legyen a legalacsonyabb energiájú állapot. A stabil nemeltűnő vákuumállapot megkívánja a következő összefüggést:
ahol v a Higgs-bozon vákuum-várhatóértéke.
Az elmélet kölcsönhatásai (Feynman-diagramjai)
[szerkesztés]Források
[szerkesztés]- A német Wikipédia szócikke
Kapcsolódó szócikkek
[szerkesztés]Külső források
[szerkesztés]- Leon Max Lederman: Az isteni a-tom, 2000