Wie wurden Elektromagnetismus und schwache Wechselwirkung vereint und bewiesen?

Ich gehe davon aus, dass Sie kein Techniker sind, und skizziere eine allgemeine Geschichte, warum die Leute denken würden, dass die schwache Wechselwirkung etwas mit Elektromagnetismus zu tun hat. Dies wird ein wenig metaphorisch und sehr nicht technisch sein, und ich werde wahrscheinlich einige Dinge falsch machen. Bitte als solches kommentieren, und ich werde es beheben. Beachten Sie auch, dass ich wichtige Details aus dieser Diskussion auslassen werde. Dies ist keine Einführung in die elektroschwache Theorie, sondern eine Motivation zum Verständnis der ursprünglichen Frage.

Das erste war also Fermis Vorhersage des Neutrinos. Dies geschah, weil sorgfältige Messungen zeigten, dass der Zerfall eines Neutrons in ein Proton und ein Elektron anscheinend keinen Impuls erhält. Da der beobachtete Zerfall Ladung zu erhalten schien, erforderte dies, dass das Zerfallsprodukt keine Ladung hat. Erhaltungsprinzipien deuteten auch auf ein Teilchen mit sehr geringer Masse hin. Fermi schlug daher den Namen "Neutrino" für ein sehr leichtes Teilchen vor, das ein Produkt dieses Zerfalls war und den fehlenden Impuls mitnahm. Er schlug eine Wechselwirkung vor, bei der vier Punktteilchen gleichzeitig wechselwirkten, und dies schien relativ gut zu funktionieren, und der Begriff der "schwachen Kernkraft" war geboren, da diese Wechselwirkung anscheinend von kurzer Reichweite war.

Die Zeit verging und die Störungstheorie wurde immer ausgefeilter. Es wurde entdeckt, dass Fermis Theorie der schwachen Wechselwirkung bei höheren Energien als dem Neutronenzerfall selbst widersprüchlich war. Darüber hinaus wurden Symmetrien zwischen bestimmten Teilchenpaaren entdeckt – zum Beispiel schien die schwache Kraft bei Energien, die viel höher als die Elektronenmasse waren, Elektronen und Neutrinos so zu behandeln, dass sie ungefähr austauschbar waren. Ähnliche Effekte traten bei mehreren anderen Teilchenpaaren auf. Aus der Gruppentheorie wissen wir, dass diese Art von Symmetrie durch die Gruppe beschrieben wird$SU(2)$, und wir verstanden die Dynamik des Elektromagnetischen$U(1)$Theorie ziemlich gut in den 50er Jahren, also schien es logisch, zu versuchen, a aufzuschreiben$SU(2)$Theorie der schwachen Kraft, und beseitigen Sie die Vier-Fermion-Wechselwirkung mit einem schwachen Kraftäquivalent des Photons (das eigentlich drei Bosonen statt eines sein würde).

Dies hatte jedoch zwei Probleme:

1) Es gab keine Möglichkeit, eine konsistente Eichtheorie niederzuschreiben, die kurzreichweitig war – dies erforderte die Angabe der Masse der Bosonen, und die Masse brach die Eichmagie

2) Es wurden mehrere Zerfallskanäle entdeckt, die darauf hindeuten, dass die Eichbosonen sowohl in geladener als auch in ungeladener Form vorliegen müssen, um Prozesse zu unterstützen wie:

sowie solche wie die schwache Korrektur zu:

Es war jedoch unklar, wie die Eichbosonen sowohl in elektrisch geladener als auch in ungeladener Form vorliegen können.

Somit wurden diese beiden Probleme mit der Einführung der Vereinigung der elektromagnetischen Kraft mit der schwachen Kraft gelöst. Die Kurzgeschichte besagt, dass eine Gruppe geschaffen wurde, die groß genug ist, um beide aufzunehmen. Dann wurde das Higgs-Boson hinzugefügt, und das Wichtigste hier ist, dass die Theorie so konstruiert wurde, dass das Higgs-Boson im Vakuum einen Wert ungleich Null hatte, und dies eine „besondere“ Richtung in der Richtung auswies$SU(2) x U(1)$Raum, der eine Vermischung erzwang und ein masseloses Boson und drei massive Bosonen hinterließ, während auch zwei ungeladene Bosonen (von denen eines das masselose war) und zwei geladene zurückblieben. Da alle diese Eigenschaften aus der Higgs-Symmetriebrechung hervorgingen und nicht grundlegend waren, löste es auch die Probleme mit der Inkonsistenz und der massiven Bosonen-Brechungsstärke – die Masse war nur eine scheinbare Sache, die von Higgs geschaffen wurde.

Die andere Sache nichts wert ist, dass die$U(1)$im Elektromagnetismus ist ein "übrig gebliebener" masseloser Freiheitsgrad, der in einer gemischten Richtung innerhalb des liegt$SU(2) x U(1)$, es ist NICHT die$U(1)$in der elektroschwachen Symmetrie. Diese Mischung gibt den schwachen Bosonen ihre elektrische Ladung.

Ich hoffe, das war hilfreich. Ich habe versucht, die Grenze zwischen zu viel Handwinken und zu übertriebener Technik zu gehen.