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虽然在日常的低能量情况下,电磁作用与弱作用存在很大的差异,然而在超过统一温度,即数量级在100GeV的情况下,这两种作用力会统合成单一的电弱作用力。因此如果宇宙是足够地热(约1015K,在大爆炸发生不久以后温度才降至比上述低的水平),就只有一种电弱作用力,不会有分开的电磁作用与弱相互作用。
由于将基本粒子的电磁作用与弱作用统一的这项贡献,阿卜杜勒·萨拉姆、谢尔登·格拉肖以及史蒂文·温伯格获颁1979年的 诺贝尔物理奖 。电弱相互作用的理论经以下两个实验证明存在:
1973年在Gargamelle气泡室首次在中微子散射实验中发现中性流的存在。
1983年在超级质子同步加速器进行的UA1和UA2质子反质子对撞实验中发现 W及Z玻色子 。
已知基本粒子的弱同位旋T3及弱超电荷YW的模式,标有电荷Q及弱混合角。中性的希格斯场(圆圈内)在打破电弱对称后,就能与其他粒子相互作用,从而产生质量。希格斯场的三个分量则成为具质量的W及Z玻色子的一部分。
数学上统一电磁作用及弱作用是经由一个SU(2)×U(1)的规范群。当中对应的零质量 规范玻色子 分别是三个来自SU(2)弱同位旋的W玻色子(W+、W0和W?)以及一个来自U(1)弱超电荷的B0玻色子。
在标准模型里W±和Z0玻色子和光子是经由SU(2)×U(1)Y的电弱对称性自发对称破缺成U(1)em所产生的,此一过程称作希格斯机制(见希格斯玻色子)。U(1)Y和U(1)em都属于U(1)群,但两者不同;U(1)em的生成元是Q=Y/2+I3,而其中Y是U(1)Y(叫弱超电荷)的生成元,I3(弱同位旋的一个分量)则是SU(2)的其中一个生成元。
自发对称破缺使W0和B0玻色子组合成两种不同的玻色子:Z0玻色子和光子(γ)。
如下:
其中θW为弱混合角。 对称破缺 使得代表粒子的轴在(W0,B0)平面上旋转,其旋转角为θW。对称破缺同时使得Z0和W±的质量变得不一样(它们的质量分别以MZ和MW表示):
电磁作用与弱力在对称破缺后变得不同,是因为 希格斯玻色子 的Y及I3,可以组成一个答案为零的线性组合:U(1)em的定义生成元正是这个组合,所以电磁作用不与希格斯场作用,亦因此保留对称性(光子零质量)。
拉格朗日量
自发对称破缺之前
电弱相互作用的 拉格朗日量 在自发对称破缺之前分成四个部分:
项描述三种W粒子及一种B粒子的相互作用:
其中()及分别为弱同位旋及弱超电荷的场强度张量。
为标准模型费米子的动能项。规范玻色子与费米子间的相互作用是由共变导数所描述的。
其中下标代表费米子代,根据 爱因斯坦求和约定 ,各项中重复的下标会把三代的结果都加起来,而、和分别代表夸克的左手性双重态、右手性上单重态和右手性下单重态,和则代表轻子的左手性双重态和右手性电子单重态。注意右手性中微子是不参与弱相互作用的,因此轻子比夸克少一个项。
描述希格斯场F:
负责提供汤川相互作用,它会把希格斯场所产生的真空期望值变成质量,
自发对称破缺之后
在希格斯玻色子获得真空期望值后,拉格朗日量
动能项含有拉格朗日量中所有的二次项,当中包括动力项(偏微分)和质量项(明显地没有出现于对称破缺之前的拉格朗日量之中)。
其中总和把理论中费米子(夸克和轻子)的各代都加起来,而场、、及的形式如下:
,(将X替换成相应的场,而则是规范群的架构常数)。
拉格朗日量中的中性流分量与载荷流分量,就是费米子与规范玻色子间的相互作用。
,
其中电磁流及中性弱流分别为
,
及
和分别是费米子的电荷和弱同位旋。
拉格朗日量的载荷流部分如下:
代表希格斯场的三点及四点自身相互作用。
代表规范矢量玻色子的希格斯相互作用。
代表规范场的三点自身相互作用。
代表规范场的四点自身相互作用。
而则代表费米子与希格斯场间的汤川相互作用。
注意各个弱耦合里这个因子:这些因子会把旋量场的左手性分量投映出来。因此(对称性破缺后的)电弱理论一般由被称为手征理论。