Как мы узнаем, что объединили два взаимодействия?

«Объединение» относится к объяснению двух наборов явлений (теорий), которые ранее не были связаны, и объединению их в единое связное описание.

Например: электричество и магнетизм объединены в электромагнетизм.

Хотя эти два набора явлений можно приблизительно рассматривать (в одном режиме), пренебрегая другим, важно, чтобы эти два явления были связаны друг с другом в некотором режиме . В противном случае любое объединение было бы поверхностным, поскольку два вида физики происходили бы рядом друг с другом, но по отдельности .

Если вам удастся объединить две прежде отдельные физические теории, то вы увидите уравнения, включающие обе из них, подобно тому, как уравнения Максвелла включают в себя и E, и B. А поскольку они связаны, одна может влиять на другую.

Что касается электрослабого объединения, то калибровочная группа неабелева. Таким образом, понятие заряда «подмешивается» к представлениям группы Ли (или алгебры Ли). Таким образом, технически правильным утверждением было бы то, что существуют частицы/поля, на которые будет влиять как электромагнетизм, так и слабое взаимодействие. Можно проработать детали механизма Хиггса того, как единая электрослабая теория «распадается» на электромагнетизм и слабое взаимодействие, и все хорошо согласуется с наблюдениями.

Объединение в физике используется в классической физике иначе, чем в квантовом режиме элементарных частиц.

Объединение электричества и магнетизма стало необходимым, когда появились функционально-измерительные соотношения, связывающие движение зарядов с магнитным полем и магнитное поле с движением зарядов. Закон Био-Савара и закон Ампера . Максвелл объединил эти наблюдения в электромагнитную теорию, обладающую большой предсказательной силой и изящно объясняющую излучение.

Объединение на уровне теории элементарных частиц произошло после накопления наблюдений множества резонансов в рассеянии частиц друг против друга. Массы и спиновые состояния этих резонансов демонстрировали удивительную симметрию и могли быть организованы в мультиплеты SU(3) , октеты и декуплеты. Из этих экспериментальных наблюдений возникла кварковая модель нуклонов и мезонов.

В конце концов это привело к стандартной модели физики элементарных частиц: SU(3)xSU(2)xU(1). Если вы заметили на диаграммах, например

Барионный декуплет S = 3/2

Симметрия разворачивается с наибольшими массами на нижнем уровне, это масса, которая разделяет различные мультиплеты изоспина:

Первым открытым Омега -барионом был барион Ω−, состоящий из трех странных кварков, в 1964 году. Это открытие стало большим триумфом в изучении кварковых процессов, поскольку он был обнаружен только после того, как его существование, масса и продукты распада были предсказаны Американский физик Мюррей Гелл-Манн в 1962 году и независимо друг от друга израильский физик Юваль Нееман.

Групповые симметрии лагранжиана в стандартной модели SU(3)xSU(2)xU(1), которая объединяет все три взаимодействия, слабое электромагнитное и сильное, называются симметриями, потому что, в принципе, вычисляя результаты, оперируя волновой функцией модели, они должны быть инвариантны к симметрии группы: измерения сечений, времени жизни и т. д. Это идеальный случай, когда каждый мультиплет представляет все приписываемые ему частицы и имеет нулевую массу. Приближение с нулевой массой было бы верно, например, для очень высоких энергий, доступных в начале Большого взрыва. диапазон измеренных масс в сто ГэВ или около того был бы приблизительно равен нулю при этих энергиях.

В реальном мире тот факт, что декуплеты, октеты и т. д. заняты разными массами, говорит нам о том, что симметрия нарушается при энергиях, в которых мы живем, и частицы приобретают массу. Чтобы учесть это экспериментальное наблюдение, Стандартная модель включает механизм спонтанно нарушенной симметрии с полем Хиггса. Это придает массу промежуточным калибровочным бозонам, нарушая симметрию и придавая массу всем элементарным частицам.

Надеюсь, я ответил на первые два подвопроса.

Есть ли интуитивное объяснение того, как работает электрослабое объединение? Как электрический заряд почувствует слабое поле или как ароматизированная частица создаст слабое поле?

Z и W — обменяющиеся калибровочные бозоны в слабых взаимодействиях и фотон в электромагнитных. Поскольку симметрия нарушается при наших энергиях, эффект будет только через диаграммы Фейнмана более высокого порядка, но разница в силе двух взаимодействий составляет порядки величины; эффективно, если электромагнитное может произойти, оно будет самым быстрым и первым и сокрушит слабых. Слабые могут появиться, если электромагнитное запрещено, как в различных распадах заряженных пионов по сравнению с нейтральным .