Elektrozayıf etkileşim

Parçacık fiziğinde elektrozayıf etkileşim, doğanın bilinen iki veya dört temel etkileşiminin birleşimin bir tanımıdır: elektromanyetizm ve zayıf etkileşim. Her gün düşük enerjilerde, bu iki kuvvet çok farklı oluşsa da, teori modelleri aynı kuvvetin iki farklı etkisi gibidir. Yukarıdaki birleştirme enerjisi, yaklaşık 100 GeV, tek bir elektrozayıf kuvvet oluşturabilir. Bu yüzden, eğer evren yeterince sıcaksa (Big Bang’den kısa bir sonra olan bir sıcaklık ortalama 1015 K), elektromanyetik kuvvet ve zayıf kuvvet birleşmiş bir elektrozayıf kuvvete dönüşür. Elektrozayıf dönem boyunca, zayıf kuvvet güçlü kuvvetten ayrılır. Kuark dönem boyunca, elektrozayıf kuvvet elektromanyetik ve zayıf kuvvetten ayrılır.

Sheldon Glashow, Abdus Salam ve Steven Weinberg, temel parçacıklar arasındaki zayıf ve elektromanyetik etkileşimin birleşimine katkılarından ötürü 1979’da Nobel Fizik ödülünü aldılar. Elektrozayıf etkileşimlerin varlığı deneysel olarak iki adımda sabitlendi, ilki 1973’te Gargamelle işbirliği ile nötrino saçılmasındaki nötr akımların keşfiydi. Ikincisi ise dönüşmüş Super Proton Synchroton’undaki proton/antiproton çarpışmalarının W ve Z ölçü bozonlarının keşfini içeren 1983’teki UA1 ve UA2 işbirliğidir. 1999 yılında Gerardus 't Hooft ve Martinus Veltman elektrozayıf teorinin yeniden normalleştirilebildiğini gösterdiği için Nobel ödülü aldı.

Uzun zamandır, zayıf kuvvetin elektromanyetik kuvvetle yakın bir ilişisinin bulunduğu düşünülüyordu. Nihayet, 10−18 m gibi küçük mesafelerde zayıf etkileşimin gücünün, elektromanyetik etkileşiminkiyle kıyaslanabilir olduğu belirlendi. Öte yandan, bunun 30 misli, yani 3x10−17 m mesafe düzeyinde, zayıf etkileşimin gücü, elektromanyetik etkileşiminkinin 1/10,000'ine iniyordu.

Bir nötron veya protonu oluşturan kuarkların arasındaki tipik mesafelerde (10−15 m) ise, bu oran çok daha küçülüyordu. Sonuç olarak, zayıf ve elektromanyetik kuvvetlerin gücünün, esas olarak eşit düzeyde olduğu sonucuna varıldı. Çünkü bir etkileşimin gücü, taşıyıcı parçacığın kütlesine ve etkileşim mesafesine, güçlü bir şekilde bağlıydı. İki kuvvetin güç düzeyleri arasındaki gözlemlenen fark, görece çok ağır olan W ve Z parçacıkları ile, bilindiği kadarıyla kütlesi olmayan foton arasındaki kütle farkından kaynaklanıyordu.

Sonuç olarak Standart Model'de elektromanyetik ve zayıf etkileşim; Glashow, Salam ve Weinberg tarafından geliştirilmiş olan birleşik bir 'elektrozayıf' kuramda birleştirilmiş bulunuyor. Bu iki alanın 'Birleşik Alanlar Kuramı;' o zamana kadar zayıf etkileşimin tek taşıyıcısı olduğu düşünülen W parçacıklarının kütlesini hesaplayabildiği gibi, yeni bir tür zayıf etkileşimin ve bu etkileşimin taşıyıcısı olan Z parçacığının varlığını da öngördü.

Bu kuvvetlerin birleştirilmesi ve tek bir teoriyle açıklanması bu kişilere 1979 Nobel ödülünü kazandırmıştır. Bu teorinin kurulması, fizikçilerin yıllardır kurmaya çalıştıkları büyük birleşik teoriye giden yolda atılan ilk başarılı adımdır. Daha önce Albert Einstein, kütleçekim ile elektromanyetik kuvveti birleştirmeye çalışmış ancak başarısız olmuştu.

Bilinen bazı temel parçacıklar; zayıf eşspin modeli T3, zayıf aşırıyük YW, zayıf birleşme açısı boyunca Q elektrik yükünü gösteriyor. Nötr Higgs alanı (çevrelenmiş) elektrozayıf simetriyi bozar ve kütlesini diğer parçacıklara vermek için onlarla etkileşime geçer. Higgs alanının üç bileşeni çok büyük W ve Z bozonlarının bir parçası olmaya başlar.

Matematiksel olarak, birleşime bir SU(2) × U(1)  ölçüm grubu altında ulaşılır. Ilgili ayar bozonları SU(2) (W1, W2, and W3)’dan zayıf eşspinli üç W, U(1)’den zayıf aşırıyüklü B bozonudur ve hepsi kütlesizdir.

Standart modelde W, Z bozonları ve foton; Higgs mekanizmasının neden olduğu SU(2) × U(1)Y to U(1)em’dan elektrozayıf simetrinin ani simetri bozulması ile üretilir. U(1)Y and U(1)em, U(1)’in farklı kopyalarıdır ve üretici U(1)em, Q = Y/2 + I3 olarak verilir; Y U(1)Y’in üreticisidir; I3 ise SU(2)’nin üreticilerinden (zayıf eşspinin bir bileşeni) biridir.

Elektromanyetizm ve zayıf kuvvet arasında fark oluşur, çünkü Higgs bozonu için Y ve I3‘ün doğrusal birleşimi vardır. U(1)em bu doğrusal birleşme tarafından üretilen grup olarak tanımlanır ve Higgs ile etkileşmediğinden bozulmaz.

üç nesil fermionu geçer , , ve sol el çiftleri, sağ el teklileri ve sağ el tekli kuark alan aşağısıdır, ve  sol el çiftleri ve sağ el tekli elektron alanlarıdır.

Higgs beklenen bir vakum değerini elde ettikten sonra Lagrangian bunu tekrar tanımlar. Karmaşıklığından ötürü, Lagrangian aşağıdaki denkliği birçok parçaya ayırarak tanımlamıştır.

Zayıf eşleşmelerde   faktörlerini not edin: bu faktörler spinör alanlarının sol el bileşenlerini yansıtır. Bu yüzden elektrozayıf teoriye (simetri bozulduktan sonra) yaygın olarak kiral(bakışımsız) teori de denmektedir.