Зачем нужно объединение механизма Хиггса и электрослабого?

Дбране, помимо «красоты», электрослабое объединение действительно необходимо для конечной теории слабых взаимодействий. Необходимость всех полей, найденных в электрослабой теории, может быть объяснена шаг за шагом, требуя «древовидной унитарности».

Это объясняется, например, в этой книге Иржи Горжейши:

http://www.amazon.com/dp/9810218575/
Книги Google:
http://books.google.com/books?id=MnNaGd7OtlIC&printsec=frontcover&hl=cs#v=onepage&q&f=false

Набросок алгоритма выглядит следующим образом:

Бета-распад превращает нейтрон в протон, электрон и антинейтрино; или даун-кварк в ап-кварк, электрон и антинейтрино. Для этого требуется прямое четырехфермионное взаимодействие, первоначально набросанное Ферми в 1930-х годах и улучшенное — включая правильные векторные индексы и гамма-матрицы — Гелл-Манном и Фейнманом в 1960-х.

Однако с этим 4-фермионным взаимодействием сразу возникают проблемы. Это неперенормируемо. Вы можете увидеть проблему, заметив, что вероятность на уровне дерева мгновенно превышает 100%, когда энергии четырех взаимодействующих фермионов превышают сотни ГэВ или около того.

Единственный способ исправить это — урегулировать теорию при более высоких энергиях, а единственный последовательный способ урегулировать контактное взаимодействие — объяснить его как обмен другой частицей. Единственная подходящая частица, которую можно заменить для соответствия основным экспериментальным тестам, — это векторный бозон. Ну, они могли бы также обменять массивный скаляр, но это не то, что Природа выбрала для слабых взаимодействий.

Значит, должен существовать массивный калибровочный бозон, W-бозон.

Обнаруживаются противоречия и в других процессах, и приходится включать и Z-бозоны. Приходится также добавлять кварки и лептоны-партнеры - для завершения дублетов - иначе возникают проблемы с другими процессами (вероятности взаимодействий, рассчитанные на уровне дерева, превышают 100 процентов). Это продолжается и продолжается.

В конце изучается рассеяние двух продольно поляризованных W-бозонов при высоких энергиях, и оно снова превышает 100 процентов. Единственный способ вычесть нежелательный член — добавить новые диаграммы, на которых W-бозоны обмениваются бозоном Хиггса. Так завершается Стандартная модель, включая сектор Хиггса. Конечно, окончательный результат физически эквивалентен тому, который изначально предполагает «красивую» электрослабую калибровочную симметрию.

Какой из подходов более фундаментален и логичен, это дело вкуса. Но, безусловно, верно, что форма Стандартной модели не оправдывается только эстетическими критериями; это также может быть оправдано необходимостью быть последовательным.

Кстати, для СР-нарушения нужно 3 поколения кварков - если бы это было нужно. Других объяснений, почему существует 3 поколения, не так много. Однако форма поколений тоже жестко ограничена - аномалиями. Например, Стандартная модель с кварками и без лептонов, или наоборот, также будет несовместимой (она будет страдать калибровочными аномалиями).

Электрослабое объединение означает, что существует симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием — вы можете использовать их взаимозаменяемо. На самом деле это не так -$W$а также$Z$у бозонов есть масса, а у фотона нет.

Механизм Хиггса обеспечивает возможность спонтанного нарушения симметрии между этими взаимодействиями: лагранжиан стандартной модели электрослабо симметричен, а вакуум не возникает из-за ненулевого вакуумного среднего значения для поля Хиггса.

То же самое относится и к фермионам — вы не можете ввести массовые члены для кварков и лептонов в лагранжиан, сохраняя при этом электрослабую симметрию. Но можно ввести электрослабые симметричные члены Юкавы, связывающие поле Хиггса с фермионами.

Редактировать:
я не думаю, что механизм Хиггса может «рассказать нам что-то новое». Это всего лишь простейший способ обеспечить спонтанное нарушение симметрии. В то время как электрослабое объединение означает, что эти взаимодействия являются калибровочными взаимодействиями, и устанавливает саму калибровочную симметрию. Классификация фермионов на три поколения также сделана с «электрослабой точки зрения».

Конечно, вы можете возразить, что эта систематизация или классификация не является «чем-то новым». Но с такой точки зрения можно критиковать почти всякую теоретическую конструкцию, пытающуюся предсказать результаты будущих экспериментов.

Это правда, что, признавая, что данные имеют симметрию SU2xU1, мы имеем ряд параметров, и можно сказать, что проблема номер один сведена к проблеме номер два с таким же количеством неизвестных.

Приведу часто цитируемый пример эпициклов в геоцентрической системе и эллипсов в гелиоцентрической. Количество параметров то же самое, и если вы зайдете в программу-планетарий и перейдете в геоцентрическую систему отсчета, то эпициклы предстанут во всей красе. Тем не менее уже нет никого, кто бы спросил, "какой смысл упорядочивать данные в гелиоцентрической системе".

Вопрос «почему электромагнетизм должен быть объединен со слабой теорией» немного похож на вопрос «почему существует гелиоцентрическая система». Ответ заключается в том, что в обоих случаях данные легко укладываются в упорядоченную форму. А затем нас привели к более высоким симметриям (SU3xSU2xU1) и более инклюзивным теориям.

Я должен был добавить, что ясность, привносимая симметрией/порядком, когда-то проявленная, приводит к вычислимым теориям, которые могут описывать данные и делать предсказания для новых наблюдений. Хиггс — одно из таких предсказаний, вытекающих из теорий, описывающих симметрии кварковых моделей. Если он не будет найден, потребуется переосмысление (хотя есть статьи, в которых утверждается, что механизм Хиггса может быть составным проявлением, а не обязательно одной частицей).

При феноменологическом подходе массы вводятся без проблем.

Именно в подходах «локальной калибровочной инвариантности» нужно исправить, потому что калибровочный подход, к сожалению, не дает массы. Технически это каким-то образом реализовано как «привязка» к бозону Хиггса.

Я никогда не считал «локальный принцип калибровочной инвариантности» разумным или физическим. Это один из многих слепых способов «построения» взаимодействующих теорий; оно не гарантирует ничего физического и не спасает от бесконечностей в вычислениях. Сделано по аналогии с КЭД, которая сама по себе имеет проблемы. Этот способ нуждается в исправлениях.

Я бы сказал, что бозон Хиггса — это плата за выбор «математического», а не физического подхода к построению теорий. Это ошибочное предположение, на мой взгляд. Есть и другие физические идеи на эту тему, но они остаются неизвестными и, следовательно, неиспользованными.