Как это повлияло бы на вселенную, если бы бозон W был безмассовым? [закрыто]

Я попытаюсь объяснить это с нуля, так что вот (ВНИМАНИЕ: это может быть сложно):

После нарушения симметрии массовый член для слабого поля в лагранжиане стандартной модели принимает вид$\mathcal{L}_{W, mass} = -\frac{1}{2\lambda}\left(\mu g_2\right)^2W^{-\nu}W^+_{\nu} = m^2_WW^{-\nu}W^+_{\nu}$. Чтобы Слабые бозоны были безмассовыми, требуется$\mu g_2 = 0$. Поэтому есть 2 способа сделать это:

1. $\mu = 0$
2. $g_2 = 0$

Так что же это за термины?$\mu = \frac{1}{\sqrt{2}}m_H$, масса бозона Хиггса.$\lvert e\rvert = g_2\sin\theta_W$- (модуль) заряда электрона. Масса Z-бозона$m_Z = \frac{m_W}{\cos\theta_W}$

Рассмотрим два случая отдельно:

1: Настройка$\mu = 0$:

И бозон Хиггса, и Z-бозон также становятся безмассовыми. Механизм Хиггса больше не существует, и нарушение электрослабой симметрии никогда не происходит. Потенциал Хиггса становится$V = -\mu^2\phi^*\cdot\phi + \frac{1}{2}\lambda\left(\phi^*\cdot\phi\right)^2 = \frac{1}{2}\lambda\left(\phi^*\cdot\phi\right)^2$который имеет точку минимума при$0$(т.е.$\left\langle\phi_0\right\rangle_{min} = \left\langle\phi_1\right\rangle_{min} = v = 0$). Беспокоясь об этом моменте с$\phi_0 = \frac{H}{\sqrt{2}}$дает$V = \frac{\lambda H^4}{8}$

Это также приводит к тому, что масса всех элементарных фермионов равна$0$, или масса всех открытых к настоящему времени элементарных частиц равна$0$. В результате этого массы нейтрона и протона равны. Не то, чтобы это имело значение, потому что современное понимание гласит, что Вселенная будет состоять только из плазмы в результате постоянного создания пар и уничтожения, ну, в общем, всех фундаментальных частиц. Это при условии, что фундаментальные частицы будут одинаковыми.

2: Настройка$g_2 = 0$:

Первый результат состоит в том, что ничто не имеет электрического заряда. Понятие электрического заряда перестает существовать. Калибровочное преобразование для калибровочных бозонов принимает вид$D_{\nu} = \partial_{\nu} + \frac{i}{2}Ig_1B_{\nu}$куда$I$является единичной матрицей. Это дает единственное поле,$B_{\nu}$. В таком случае,$v = \frac{\mu}{\sqrt{\lambda}}$как обычно, и массовый член становится$\mathcal{L}_{B, mass} = -\frac{1}{8}v^2g^2_1B_{\nu}B^{\nu} = -\frac{1}{2}m_B^2B_{\nu}B^{\nu}$, давая массу$m_B = \frac{vg_1}{2}$. Однако три других калибровочных поля не просто исчезают — они все еще существуют, но уже не имеют массы. Эти поля отличаются от полей фотонов и W-бозонов. Тем не менее, у нас есть 3 безмассовых поля и одно с массой. Судя по вашему комментарию, что вы хотите, чтобы Z-бозон имел массу, это условие наиболее близко к тому, что вы хотите.

Это удивительно просто: член Хиггса в лагранжиане Стандартной модели состоит из 3 безмассовых калибровочных полей и 1 массивного, в отличие от относительного беспорядка, возникающего в результате нарушения электрослабой симметрии нашей собственной Вселенной. Нарушение симметрии все же происходит, поэтому я предполагаю, что фундаментальные частицы все те же, хотя и наоборот — SU(2)-симметрия не нарушена, а U(1)-симметрия нарушена.

Однако есть разница: константа связи трех безмассовых полей,$g_2 = 0$и поэтому они просто ни с чем не взаимодействуют.

Глядя на лептоны: у нас есть 3 поколения$l = \begin{pmatrix} \nu_e \\ e \end{pmatrix}$и$\bar{e}$. Для простоты рассмотрим первое поколение — электроны, так как все остальные работают по тому же принципу.

Ковариантные производные$D_{\nu}l = \partial_{\nu}l + \frac{i}{2}g_1B_{\nu}l$и$D_{\nu}\bar{e} = \partial_{\nu}\bar{e} - ig_1B_{\nu}\bar{e}$, что дает «заряд» электрона = «заряд» нейтрино =$-\frac{1}{2}g_1$. «Заряд» позитрона$g_1$. Точно так же «заряд» кварков равен$\frac{1}{6}g_1$а «заряд» анти-верхнего и анти-нижнего кварков равен$-\frac{2}{3}g_1$и$\frac{1}{3}g_1$соответственно.$g_1$неизвестно.

В свою очередь это означает, что заряд протона = заряд нейтрона = - заряд электрона. Нейтрально заряженные частицы вполне возможны (теоретически). Однако теперь есть большая разница между античастицами и частицами... [В сторону: я совершенно ошеломлен] Антипротон имеет заряд$-g_1$а антинейтрон имеет заряд 0. Антиматерия работает совершенно иначе, чем обычная материя.

С точки зрения электрической силы у нас есть эквивалентная сила, только она имеет конечный диапазон. Очень, очень удивительно, что антиматерия в этой вселенной работает так же, как антиматерия в нашей Вселенной, только с короткодействующей электромагнитной силой, и каждый антипротон должен быть связан с двумя электронами или с нейтроном и электроном. , или до 2 нейтронов (если такое возможно). С другой стороны, дело обстоит иначе: каждый протон и каждое нейтрино должны соединиться с электроном, чтобы создать нейтрально заряженную частицу.

Кроме того, Вселенная должна была расширяться после Большого взрыва примерно так же, как и наша, — вещи, эквивалентные звездам, все еще должны были бы иметь возможность формироваться, хотя нейтронных звезд, вероятно, не существовало бы. Поддержание жизни на планетах будет сложной задачей из-за диапазона излучения этих «звезд», хотя этот диапазон не определен в модели (т. е. в альтернативной вселенной значение может быть получено экспериментальным путем), поэтому может быть сделать по-другому в альтернативной вселенной (настроить вещи так, чтобы$m_B$достаточно мала). Еще одно отличие состоит в том, что мы не сможем увидеть другие галактики по той же причине.

Кроме того, не исключено, что что-то может двигаться быстрее, чем эта сила.

Подводить итоги:

Вам нужна константа связи$g_2 = 0$. Это создает (относительно) ближний эквивалент электромагнитной силы и изменяет природу составных частиц (например, протонов), хотя они все еще могут существовать. Нейтронные звезды невозможны, и другие галактики невозможно наблюдать.

Источник: Основные идеи Марка Средненицкого - Квантовая теория поля.

Редактировать: см. также Как выглядели бы наши знания в области физики без астрономических наблюдений?

Если бы W был безмассовым из-за отсутствия механизма Хиггса, то все было бы иначе.

Но, может быть, W просто не имеет массы, не влияя на все частицы. Что ж, связь между W, Z, фотоном и электрослабым объединением все же существует. Оказывается, фотон, который мы знаем, не является «оригинальной» вещью с каменного дна, а представляет собой смесь 4-х форм электрослабых бозонов. Если бы W не был выбран из-за его массы, этого могло бы и не случиться.

У нас был бы другой анализ электромагнитных и слабых взаимодействий или их вообще не было бы. У нас были бы степени свободы в исходных полях, оказавшиеся в разных местах.

Вы можете прочитать об электрослабом спонтанном нарушении симметрии. Расскажите об этом читателям и выберите историю, в которой что-то происходит по-другому в этом повествовании. Это также было бы хорошим способом представить его читателям.