Может ли электрослабое спонтанное нарушение симметрии объяснить темную материю и темную энергию? [закрыто]

Электрослабое спонтанное нарушение симметрии мне гораздо труднее понять, чем фазовый переход глюон-кварк в плазме. В последнем физические законы остаются теми же, и глюоны и кварки просто связываются вместе ниже температурного порога, потому что свободная энергия, описывающая их термодинамические свойства, представляет собой новый единый глобальный минимум.

Однако в EWSSB фундаментальные физические законы, описывающие взаимодействие частиц (наша Стандартная модель физики элементарных частиц), изменяются при этом фазовом переходе. Раньше я думал, что это всего лишь артефакт для объяснения взаимодействий EW, но поскольку бозон Хиггса был открыт и в ЦЕРНе проводится систематическое исследование сектора Хиггса, к EWSSB нужно относиться серьезно.

Теперь мне интересно, есть ли в EWSSB нечто большее, чем кажется на первый взгляд. Точнее, можно ли темную материю и темную энергию объяснить этим фазовым переходом?

1. Я думаю, что разумно считать, что электрослабое спонтанное нарушение симметрии было истинным термодинамическим фазовым переходом.

2. Я также думаю, что разумно предположить, что это был «фазовый переход первого рода».

3. Я также думаю, что возможно/вероятно , что изоспинорное скалярное поле (поле Хиггса) могло представить два разных глобальных минимума, один с нулевым VEV, а другой с ненулевым VEV, когда начался фазовый переход. Обычно фазовые переходы первого рода происходят из-за появления нового глобального минимума свободной энергии термодинамической системы в дополнение к уже существующему. Эти два глобальных минимума позволяют двум разным фазам с разными физическими свойствами сосуществовать, по крайней мере, какое-то время. Насколько мне известно, пока термодинамическая система, претерпевающая фазовые переходы первого рода, представляет два разных глобальных минимума свободной энергии, две фазы сосуществуют везде, по крайней мере, в термодинамическом пределе.

Nucleation and domain expansion start only later (if they do), when one of 
the minima becomes local and the remaining one stays global. The phase 
belonging to the global minimum nucleates and expands at the expenses of the 
one belonging to the local minima. The picture can become more complicated 
if the transition process from being a global minimum to becoming a local  
one is very fast (water supercooling would be an example).

4.- Если бы поле Хиггса все еще имело два глобальных минимума в настоящее время (или глобальный и переохлажденный локальный, разделенные большим барьером свободной энергии), я думаю, что мы имели бы два разных набора элементарных частиц с разными физическими свойствами. характеристики. Истинные калибровочные заряды и значения массы в этих двух наборах частиц будут следующими:

a) Color, weak isospin, weak hypercharge and zero masses. (Higgs field 
VEV=0).

b) Color, weak isospin and EM charge and non-zero massess. (Higgs field 
VEV > 0).

5.- Если бы у нас было два набора элементарных частиц, их взаимодействия могли бы быть очень, очень слабыми (это всего лишь предположение). Я считаю само собой разумеющимся, что они будут, по крайней мере, взаимодействовать гравитационно.

6. Если бы все это было возможно, то могло бы это объяснить темную материю и/или темную энергию ?

For example, the long-range weak forces (in the massless sector) between 
particles with the same Y_w and I^3_w could lead to large-scale repulsive 
effects (see Quantum Field Theory 2nd Edition by Lewis E. Ryder, page 306 
and references therein) that could, perhaps, explain the accelerated 
expansion of the universe.

Заранее извиняюсь за столь странную постановку вопроса. Однако это единственный способ выразить то, что я имел в виду.

Я также понимаю, что парадоксально (полагаю, многим это покажется смешным) думать о двух наборах элементарных частиц, подчиняющихся разным физическим законам, поэтому, пожалуйста, не будьте со мной слишком суровы. Я могу следовать математике EWSSB, но когда я думаю о физическом процессе (фундаментальные физические законы, которые внезапно меняются/развиваются? постепенно меняются/развиваются?), я чувствую, что либо есть что-то, что я определенно не понимаю, либо динамический процесс нарушения симметрии изучены очень плохо.

Шестой пункт я написал, поставив один вопрос , а все остальное перефразировал, потому что, честно говоря, именно по этой причине я задумался о РЭБ-SSB. Некоторое время я задавался вопросом, могла ли безмассовая Стандартная модель Хиггса, которая сосуществовала с нашей Стандартной моделью, создать набор «почти не взаимодействующих частиц», которые могли бы объяснить темные компоненты космологической модели Лямбда-CDM.

Здравый смысл подсказывает мне, что нет. Я не настолько наивен, чтобы думать, что все это, вероятно, правильно. Но должно быть возможно (может быть, даже легко) проверить, что вся эта идея неверна, потому что я предполагаю, что физика Стандартной модели Хиггса с нулевой массой может быть либо разработана, либо, что еще лучше, возможно, кто-то уже сделал это. Поскольку я не смог найти эту информацию и не могу разобраться сам, я решил опубликовать этот вопрос.

Если такая модель (Стандартная модель Хиггса с нулевой массой) уже разработана, пожалуйста, дайте мне знать. Ссылка была бы очень признательна.

Людям будет интересно, что вы подразумеваете под «сосуществованием». Из physicsforums.com/threads/… похоже, вы имеете в виду, что они будут существовать в соседних пространственных областях?
@MitchellPorter Да, термин «фазовое сосуществование» обычно относится к соседним пространственным областям.
Тесно связанный, возможный дубликат: physics.stackexchange.com/q/343532
Да, эти два вопроса действительно очень похожи.
Я даже не уверен, что «сосуществование фаз» должно относиться к смежным областям пространства. Функция свободной энергии неаналитична при фазовых переходах. В любом заданном месте (в емкости с кипящей водой) вы можете найти капли воды или пара. Поэтому мне было интересно, могут ли два набора частиц сосуществовать в пространстве-времени во время перехода. Что я хотел бы знать, возможно ли это, и если бы это было возможно, было бы какое-либо взаимодействие между двумя наборами частиц?

Ответы (3)

Расчеты решетки, проведенные в 90-х годах, довольно определенно показали, что электрослабый фазовый переход является плавным переходом (это НЕ резкий фазовый переход), см., например, https://arxiv.org/abs/hep-lat/9809045 . Это было известно еще до того, как был открыт бозон Хиггса, потому что масса бозона Хиггса, соответствующая конечной точке второго рода перехода первого рода при низких м ЧАС является м ЧАС ( с р я т ) 75 ГэВ, ниже нижней границы для м ЧАС извлечено из прецизионных электрослабых данных в LEP. Теперь, конечно, мы знаем, что действительно существует только один Хиггс с м ЧАС 125 ГэВ. Расширенные модели с дополнительными Хиггсами, которые дают переход первого порядка, возможно, не полностью мертвы, но они становятся очень запутанными.

Я должен упомянуть, почему людей это волнует: чтобы электрослабый бариогенез работал, нам нужно удовлетворять критериям Сахарова, и один из них состоит в том, что нам нужен неравновесный процесс. При переходе первого рода мы можем иметь переохлаждение и зарождение пузырьков, но при плавном переходе система никогда не бывает далеко от равновесия. Таким образом, тот факт, что переход был плавным, был одним из фактов, убивших бариогенез EW.

Знаете ли вы, является ли плотность свободной энергии гладкой, но не аналитической при переходе, как при переходе Костерлица-Таулесса, или она действительно остается аналитической и перехода нет вообще? Я не понимаю, как система выше и ниже критических температур может находиться в одной и той же фазе, поскольку они имеют разные группы симметрии.
Разве, скажем, масса электрона (или почти любой другой частицы) не считается параметром порядка, который неаналитическим образом изменяется от тождественно нуля выше критической температуры до отличного от нуля ниже нее?
Вы только «нарушаете» калибровочные симметрии, которые не могут быть нарушены (могут быть только Хиггсе) и не имеют параметров локального порядка.
А как насчет массивных масс частиц? Они могут не быть «параметрами порядка» в традиционном смысле, но они являются локально измеримыми величинами, которые говорят вам, в какой фазе вы находитесь.
Для м чтобы быть параметром порядка, он должен быть защищен симметрией. Единственно возможная симметрия — киральная, но в Стандартной модели эта симметрия калибруется.
Это означает, например, что электрон имеет экранирующую массу в плазме ВВ, которая непрерывно эволюционирует в массу в нарушенной фазе.
Кажется, это противоречит, например, physics.stackexchange.com/questions/5914/… , в котором предлагается ЧАС ЧАС как параметр заказа.
@innisfree ЧАС ЧАС не является параметром заказа. Он не нарушает симметрию и отличен от нуля даже в симметричной фазе (из-за квантовых флуктуаций).

Пока люди отвечают на главный вопрос («Спонтанное электрослабое нарушение симметрии, настоящий фазовый переход первого рода?»), позвольте мне сказать кое-что о второстепенных вопросах.

3 - «Возможно ли, чтобы изоспинорное скалярное поле (поле Хиггса) могло представлять два разных глобальных минимума, один с нулевым VEV, а другой с ненулевым VEV?»

При определенных условиях электрослабый сектор СМ действительно имеет второй минимум, но не при нулевом VEV, а при гораздо большем ненулевом значении поля. Нулевой VEV происходит только при таких сверхвысоких температурах, что поле Хиггса не имеет возможности найти свой минимум.

4-5 - перефразирую так: если бы у вас были соседние домены, находящиеся в разных фазах и с разными спектрами частиц, могли бы частицы из разных доменов взаимодействовать и как бы они это делали?

В теории с более сложной фазовой структурой, чем в стандартной модели, и с устойчивыми доменными стенками вы можете обнаружить, что возбуждения в доменной стенке служат интерфейсом между физическими свойствами двух доменов.

Однако стандартная модель, по-видимому, не имеет такой фазовой структуры. Здесь сказано (спасибо «королевскому витамину» с сайта physicsforums.com за эту ссылку), стр. 52, что в стандартной модели с одним минимумом вы просто не получаете доменные стены; а между тем в режиме, когда стандартная модель имеет второй истинный минимум на очень больших масштабах, возникающие доменные стенки просто быстро распадаются.

В физике конденсированного состояния фазовые переходы первого рода позволяют обеим фазам сосуществовать везде, пока свободная энергия имеет два равных глобальных минимума. Зарождение и расширение пузыря начинается, когда один из них становится локальным минимумом, а другой — глобальным. Мне интересно, что было бы, если бы первая ситуация (два глобальных минимума) могла длиться долго.

Насколько я понимаю, вопрос о том, был ли электрослабый переход первого или второго порядка, не полностью решен, но в настоящее время данные, похоже, указывают на то, что он был слабого первого порядка: https://journals.aps.org/prd/ реферат/10.1103/PhysRevD.45.2933 . В этом случае, по-видимому, действительно имело бы место сосуществование фаз в различных областях пространства в течение некоторого очень короткого периода времени, пока Вселенная охлаждалась до критической температуры. Я спросил о феноменологии этого процесса в разделе Как на самом деле выглядело нарушение электрослабой симметрии? , но ответов не получил.

Изменить : по-видимому, этот ответ, вероятно, неверен. Я оставлю это только потому, что думаю, что в комментариях есть интересные обсуждения.

Я думаю, что ваши ссылки устарели. В свете м час 125 ГэВ и поэтому λ и точные измерения м т и, таким образом, верхний Юкава, я считаю, что SM EWSB считается фазовым переходом второго рода.
@innisfree Если у вас есть ссылка, я с радостью изменю свой ответ
См., например, таблицу 1 на arxiv.org/pdf/1206.2942.pdf и ссылки в ней. Для перехода первого рода требуется м час 80 ГэВ , так что было известно, что он не может быть первым порядком, по крайней мере, с LEP (2000 или около того).
Я думаю, что ваш реф предполагал довольно легкий бозон Хиггса, 60 ГэВ упоминается на рисунках.
@innisfree Интересно, спасибо. Вы понимаете, что они подразумевают под «перекрестным переходом» в своем заявлении «Масштабирование χ с объемом решетки можно использовать для определения того, является ли [электрослабый] переход первого порядка, второго порядка или перекрестным. М час М час С 75 ГэВ, как следует из результатов поиска бозона Хиггса с помощью коллайдера, переход выглядит как перекрестный переход» в нижней части страницы 11?
Нет. Я всегда думал, что пересечение и второй порядок означают одно и то же, но в том тексте говорится: «Особенности этого перехода, которые наиболее важны для EWBG, таковы: (а) его характер (первый порядок, второй порядок, перекрестный над)'
@innisfree Я всегда думал, что «перекрестный переход» относится не к истинному фазовому переходу, а просто к длине корреляции одной величины (или показателю затухания в случае степенного закона), пересекающей другую, и поэтому (примерно) становится более важным для качественно описывающая физику системы, но без каких-либо фактических неаналитичностей. Но это не может быть тем, что имеют в виду авторы, потому что такие плавные (не фазовые) переходы не могут нарушать никаких симметрий, а электрослабый переход, безусловно, следует квалифицировать как фазовый переход.