Как были объединены и доказаны электромагнетизм и слабое взаимодействие?

Я собираюсь предположить, что вы не являетесь техническим специалистом, и набросаю общую историю о том, почему люди думают, что слабое взаимодействие имеет какое-то отношение к электромагнетизму. Это будет немного метафорично и совсем не технично, и я, вероятно, кое-что пойму неправильно. Пожалуйста, прокомментируйте как таковой, и я исправлю это. Также обратите внимание, что я обязательно буду опускать важные детали из этого обсуждения. Это не учебник по электрослабой теории, это мотивация для понимания исходного вопроса.

Итак, первым было предсказание Ферми о нейтрино. Это произошло потому, что тщательные измерения показали, что при распаде нейтрона на протон и электрон импульс не сохраняется. Поскольку наблюдаемый распад, по-видимому, сохранял заряд, для этого требовалось, чтобы продукт распада не имел заряда. Принципы сохранения также указывали на частицу с очень малой массой. Поэтому Ферми предложил название «нейтрино» для очень легкой частицы, которая была продуктом этого распада и унесла недостающий импульс. Он предложил взаимодействие, при котором одновременно взаимодействуют четыре точечные частицы, и это, казалось, работало относительно хорошо, и родилось понятие «слабого ядерного взаимодействия», поскольку это взаимодействие, по-видимому, было короткодействующим.

Прошло время, и теория возмущений усложнилась. Было обнаружено, что теория слабого взаимодействия Ферми несостоятельна при более высоких энергиях, чем распад нейтрона. Кроме того, были обнаружены симметрии между некоторыми парами частиц — например, при энергиях, намного превышающих массу электрона, слабое взаимодействие, по-видимому, относилось к электронам и нейтрино таким образом, что они были примерно взаимозаменяемы. Подобные эффекты произошли и для нескольких других пар частиц. Из теории групп мы знаем, что этот тип симметрии описывается группой$SU(2)$, и мы поняли динамику электромагнитного$U(1)$теории довольно хорошо к 50-м годам, так что казалось логичным попытаться записать$SU(2)$теорию слабого взаимодействия и избавиться от четырехфермионного взаимодействия с эквивалентом слабого взаимодействия фотона (который на самом деле будет тремя бозонами, а не одним).

Это, однако, имело две проблемы:

1) не было никакого способа написать непротиворечивую калибровочную теорию, которая была бы короткодействующей — это требовало придания бозонам массы, а масса нарушала калибровочную магию

2) Было обнаружено несколько каналов распада, которые указывали на то, что калибровочные бозоны должны быть как заряженными, так и незаряженными, чтобы поддерживать такие процессы, как:

$$e^{-} + {\bar \nu_{e}} \rightarrow \mu^{-} + {\bar \nu_{\mu}}$$

а также такие, как слабая поправка к:

$$\mu^{-} + \mu^{+} \rightarrow e^{+} + e^{-}$$

Но было неясно, как заставить калибровочные бозоны быть как электрически заряженными, так и незаряженными.

Итак, обе эти проблемы были решены введением объединения электромагнитной силы со слабой силой. Короче говоря, была создана группа, достаточно большая, чтобы вместить и то, и другое. Затем был добавлен бозон Хиггса, и главное здесь то, что теория строилась таким образом, что бозон Хиггса имел ненулевое значение в вакууме, и это выделяло «особое» направление в$SU(2) x U(1)$пространство, вынудившее смешаться, и оставил один безмассовый бозон и три массивных, а также оставил два незаряженных бозона (один из которых был безмассовым) и два заряженных. Поскольку все эти свойства возникли в результате нарушения симметрии Хиггса, а не были фундаментальными, это также решило проблемы с несогласованностью и нарушением калибровки массивных бозонов — масса была просто кажущейся вещью, созданной бозоном Хиггса.

Другая вещь ничего не стоит, это то, что$U(1)$в электромагнетизме есть «остаточная» безмассовая степень свободы, которая находится в смешанном направлении внутри$SU(2) x U(1)$, это НЕ$U(1)$в электрослабой симметрии. Это смешение дает слабым бозонам их электрический заряд.

Я надеюсь, что это было полезно. Я пытался пройти грань между слишком большим количеством размахивания руками и чрезмерной техничностью.