ワインバーグ＝サラム理論
ワインバーグ=サラム理論(ワインバーグ=サラムりろん、Weinberg-Salam theory、WS理論)は、弱い相互作用と電磁相互作用を統一的に記述する電弱統一理論である。グラショウ=ワインバーグ=サラム理論(GWS理論)とも呼ばれる。
その名の示すとおり、シェルドン・グラショウ、スティーヴン・ワインバーグおよびアブドゥス・サラムの尽力によって完成した。彼ら3人は、この研究により、1979年にノーベル物理学賞を受賞した。
1961年、シェルドン・グラショウは量子電磁力学と弱い相互作用を統一する枠組みとして、アイソスピンとストレンジネスとの類推から SU(2)×U(1) の対称性を考えた。
これを、自発的対称性の破れを使い、洗練させたのがワインバーグ=サラム理論である。
連続的な対称性を持った系において、ある種の場がエネルギーが最低の状態(真空)にあるときに、その場がゼロでない値(真空期待値)をもち、対称性を破るようなポテンシャルを実現していた場合、このような対称性の破れ方を自発的対称性の破れという。
南部=ゴールドストーンの定理によると、対称性が自発的に破れている場合には零質量の南部・ゴールドストーン粒子という粒子が現れる。
1967年に発表されたワインバーグ=サラム理論では、ある形で SU(2)L×U(1)Y のチャージを持つヒッグス場を導入し、ヒッグス場とゲージ場のゲージ相互作用において、ヒッグス場が真空期待値をもった時に質量項を持つ3つのゲージ粒子と一つの無質量のゲージ粒子が現れる。これらのゲージ粒子は SU(2)L および U(1)Y の場とは別物であり、これらの場の混合によって再定義された場である。場の混合を表す混合角は弱混合角(weak-mixing angle)、もしくはワインバーグ角(Weinberg angle)と呼ばれる。ゼロでない真空期待値を持つスカラー場の導入によって質量を持つゲージ粒子の予言に成功しており、その質量はヒッグスの真空期待値の大きさ(246GeV)とゲージ群 SU(2)L および U(1)Y に対応する2つのゲージ結合定数によって表され、これらの値は実験から精度よく決まっている。ヒッグス粒子の発見により、実験的にもワインバーグ=サラム理論は完全実証に至った。
ワインバーグ=サラム理論の特徴は、高エネルギーの状態(102GeV)では、ウィークボソンと光子との区別がなくなることである。これはビッグバンから10-10秒後までに相当し、約1000兆ケルビンの高温によってヒッグス粒子は蒸発する。このとき、ウィークボソンはヒッグス粒子の抵抗と無関係となり、光子と区別がつかなくなる。
つまり、宇宙が始まってから10-10秒より以前では、弱い相互作用と電磁相互作用との区別はなく、電弱相互作用として力の統一状態にあったという。
また、このときクォークとレプトンの質量がゼロとなる。ただし標準模型上の質量とは基本的にヒッグス粒子による慣性質量であり、重力子の挙動にも影響があるかどうかは不明。
ワインバーグ=サラム理論はゲージ群 SU(2)L×U(1)Y に対するヤン=ミルズ=ヒッグス理論である。
SU(2)L の部分はウィークアイソスピンなどと呼ばれ、U(1)Y の部分はウィークハイパーチャージ(弱超電荷)などと呼ばれることもある。
ヒッグス機構により、SU(2)L×U(1)Y は 元の U(1)Y とは異なる U(1) に破れる。これを電磁相互作用のゲージ群 U(1)EM と同一視する、と言うのがこの理論における電弱相互作用の統一の流れである。
この理論のゲージ場の部分に含まれるパラメータは二つのゲージ群に対応するゲージ結合定数 g, g'、或いはその組み合わせである素電荷 e と弱混合角 \theta_W である。
0.231\ 26(5)
である。
\mathcal{L}_\mathrm{YM}
+\mathcal{L}_\psi
+\mathcal{L}_\phi
+\mathcal{L}_\mathrm{yukawa}
の形で表すことが出来る。
第一項はヤン=ミルズ項
\mathcal{L}_\mathrm{YM} \equiv -\frac{1}{4} F^{a\mu\nu} F^a_{\mu\nu}
である。
第二項はフェルミオンの運動項で、
\sum_\psi i\bar{\psi} \bar{\sigma}^\mu \mathcal{D}_\mu \psi
である。理論に含まれるフェルミオンについて和をとる。
第三項はヒッグスの運動項とポテンシャル項で、
(\mathcal{D}^\mu \Phi)^\dagger \mathcal{D}_\mu \Phi
-\lambda \left( \Phi^\dagger \Phi -\frac{v^2}{2} \right)^2
である。
-g\bar{\psi}\Gamma\psi \phi
である。
ヤン=ミルズ理論に従い、フェルミオンとヒッグスの運動項の微分は共変微分へと置き換わっている。
\partial_\mu -igW_\mu^a T^a -ig'B_\mu Y
の形で書かれる。Ta (a=1, 2, 3) は SU(2)L の生成子で、Y は U(1)Y の生成子である。W_\mu^a, B_\mu はそれぞれのゲージ群に対応するゲージ場で、g, g' はそれぞれのゲージ群に対応する結合定数である。
ヒッグス場は SU(2)L の下で
\begin{pmatrix}
\Phi_1 \\ \Phi_2 \\
\end{pmatrix}
の表現(2表現)をもち、U(1)Y の電荷 Y=1/2 をもつ。
2表現で変換する場に対する生成子は Ta=σa/2(a=1,2,3; σ はパウリ行列)であり、ヒッグス場に対する共変微分は
\begin{pmatrix}
\partial_\mu\Phi_1 -\frac{i}{2}(gW_\mu^3+g'B_\mu) \Phi_1
-\frac{ig}{2}(W_\mu^1 -iW_\mu^2)\Phi_2 \\
\partial_\mu\Phi_2 +\frac{i}{2}(gW_\mu^3-g'B_\mu) \Phi_2
-\frac{ig}{2}(W_\mu^1 +iW_\mu^2)\Phi_1 \\
\end{pmatrix}
となる。
ゲージ変換の自由度を用いて \Phi_1=0, \Phi_2^\dagger=\Phi_2 の形になるように選べば、ヒッグス場のポテンシャル項から
\frac{v}{\sqrt{2
\begin{pmatrix}
0 \\ 1 \\
\end{pmatrix}
}
の真空期待値をもち、励起状態は
\frac{v +h(x)}{\sqrt{2
\begin{pmatrix}
0 \\ 1 \\
\end{pmatrix}
}
となる。
ヒッグスが真空期待値をもつとき、ゲージ対称性は第一成分の位相変換
\Phi \to
\begin{pmatrix}
e^{i\theta} & 0 \\ 0 & 1 \\
\end{pmatrix} \Phi
の自由度を残して破れる。
T^3 + Y
であり、これが電磁相互作用のゲージ群 U(1)EM の生成子である電荷と同一視される。
\frac{v}{\sqrt{2
\begin{pmatrix}
-\frac{ig}{\sqrt{2} W_\mu^+ \\
\frac{i}{2}\sqrt{g^2+g'^2} Z_\mu \\
\end{pmatrix} + \frac{1}{\sqrt{2}\begin{pmatrix}
-\frac{ig}{\sqrt{2} W_\mu^+ h \\
\partial_\mu h +\frac{i}{2}\sqrt{g^2+g'^2} Z_\mu h \\
\end{pmatrix}
}
となる。
ここで W_\mu^+ は W_\mu^1, W_\mu^2 の線型結合で
\frac{1}{\sqrt{2(W_\mu^1\mp iW_\mu^2)
}
によって定義され、Wボソンと呼ばれる。
Z_\mu は W_\mu^3, B_\mu の線型結合で
W_\mu^3\cos\theta_W -B_\mu\sin\theta_W
によって定義され、Zボソンと呼ばれる。
ここで \theta_W は弱混合角と呼ばれ
\frac{g'}{\sqrt{g^2+g'^2,~
\cos\theta_W =\frac{g}{\sqrt{g^2+g'^2}
}
で定義される。
Z_\mu に直交するゲージ場
W_\mu^3\sin\theta_W +B_\mu\cos\theta_W
は電磁場(光子)と同一視される。
これらのボソンで前述の共変微分を書き換えれば、
\partial_\mu
-ig\sin\theta_W A_\mu \mathcal{Q}
-\frac{ig}{\sqrt{2(W_\mu^- T^- + W_\mu^+ T^+)
-\frac{ig}{\cos\theta_W} Z_\mu (T^3 -\mathcal{Q}\sin^2\theta_W)
}
となる。
A_\mu を電磁場と同一視することから、結合定数は電磁相互作用の結合定数(即ち素電荷 e)と同一視される。
g\sin\theta_W = g'\cos\theta_W = \frac{gg'}{\sqrt{g^2+g'^2
}
(\mathcal{D}^\mu \Phi)^\dagger \mathcal{D}_\mu \Phi
の共変微分を通してヒッグス場と相互作用する。
ヒッグス場が、真空期待値を持ち対称性を破るとき、ウィークボソンはヒッグス場の運動項から質量を得て、
M_W^2 W^{-\mu} W_\mu^+ + \frac{1}{2} M_Z^2 Z^\mu Z_\mu
\frac{g^2v^2}{4},~
M_Z^2 = \frac{g^2v^2}{4\cos^2\theta_W} = \frac{M_W^2}{\cos^2\theta_W}
となる。
電弱対称性はウィークボソンの質量程度のエネルギースケールで破れ、このエネルギースケールはウィークスケールと呼ばれる。
M_W \sim M_Z \sim 10^2\,\text{GeV}
弱い相互作用はパリティ対称性を破っており、ベータ崩壊はV-A相互作用と呼ばれる形をしている。これは左手型粒子のみが相互作用をして、右手型粒子(左手反粒子)は相互作用をしない。
これを反映して左手粒子はクォークの上系列と下系列、レプトンではニュートリノと荷電レプトンが二重項となって SU(2)L の下で非自明な表現となり、左手反粒子は自明な表現となる。
フェルミオンの左手型と右手型でゲージ群のチャージが異なり、ゲージ不変な質量項を持つことが出来ない。
添え字 i=1, 2, 3, ... は世代数を表し、c は荷電共役を表す。
SU(2)L の下で 2表現で変換する場に対する生成子はパウリ行列であり、例えばクォークに対して
\begin{pmatrix}
+1/2 & 0 \\
0 & -1/2 \\
\end{pmatrix}
\begin{pmatrix}
u_i \\
d_i \\
\end{pmatrix}
+\frac{1}{6}
\begin{pmatrix}
u_i \\
d_i \\
\end{pmatrix}
=
\begin{pmatrix}
+2/3 \cdot u_i \\
-1/3 \cdot d_i \\
\end{pmatrix}
として Q=T3+Y を再現するように Y を決める。
i\bar{Q}_i \bar{\sigma}^\mu \mathcal{D}_\mu Q_i
+i\bar{U}_i \bar{\sigma}^\mu \mathcal{D}_\mu U_i
+i\bar{D}_i \bar{\sigma}^\mu \mathcal{D}_\mu D_i
+i\bar{L}_i \bar{\sigma}^\mu \mathcal{D}_\mu L_i
+i\bar{E}_i \bar{\sigma}^\mu \mathcal{D}_\mu E_i
の共変微分を通してフェルミオンと相互作用する。
対称性が破れたとき、ゲージ場はフェルミオンと
eA_\mu J_{EM}^\mu
+ \frac{g}{\sqrt{2(W_\mu^- J_\mathrm{charged}^\mu + W_\mu^+ J_\mathrm{charged}^{\mu\dagger})
+ \frac{g}{\cos\theta_W} Z_\mu J_\mathrm{neutral}^\mu
}
の形で相互作用をする。
電磁場 A と結合する相互作用カレント
\sum_\psi \bar{\psi} \bar{\sigma}^\mu \mathcal{Q} \psi
は、量子電磁力学と同じものである。
\bar{Q}_i \bar{\sigma}^\mu T^- Q_i
+\bar{L}_i \bar{\sigma}^\mu T^- L_i
は荷電カレント(charged current)と呼ばれる。
このカレントはベータ崩壊などの粒子の種類を変える相互作用として既に知られていたカレントである。
SU(2)L の二重項に対しては T- が具体的に
T^1-iT^2 =
\begin{pmatrix}
0 & 0 \\ 1 & 0 \\
\end{pmatrix}
となるので、荷電カレントは
\bar{d}_i \bar{\sigma}^\mu u_i
+\bar{e}_i \bar{\sigma}^\mu \nu_i
となる。
\mathcal{L}_W \approx -\frac{g^2}{2M_W^2} J_\mathrm{charged}^\dagger
J_\mathrm{charged}
\frac{G_F}{\sqrt{2 = \frac{g^2}{8M_W^2}
= \frac{1}{2v^2}
}
として真空期待値 v と関係付けられる。
\bar{Q}_i \bar{\sigma}^\mu T^3 Q_i
+\bar{L}_i \bar{\sigma}^\mu T^3 L_i
- J_{EM}^\mu \sin^2\theta_W
は中性カレント (neutral current) と呼ばれる。
このカレントはこの理論によって予言された相互作用である。
この形の相互作用が発見されたことによってグラショウ、サラム、ワインバーグはノーベル賞を受賞した。
フェルミオンとヒッグスは湯川相互作用項で結合する。
y^{(e)}_{ij}\,E_i\,(\Phi^\dagger L_j)
+y^{(d)}_{ij}\,D_i\,(\Phi^\dagger Q_j)
+y^{(u)}_{ij}\,U_i\,(\tilde{\Phi}^\dagger Q_i)
+\mathrm{h.c.}
ここで、
\begin{pmatrix}
\Phi_2^\dagger \\
-\Phi_1^\dagger \\
\end{pmatrix}
である。y^{(e)}, y^{(d)}, y^{(u)} は湯川相互作用の結合定数である。
なお、湯川相互作用の形はゲージ原理から要請されるものではないが、例えばレプトンの項で、\Phi^\dagger L の部分は SU(2)L 一重項となり、U(1)Y も Y=-1/2+(-1/2)=-1 となっていて(\Phi^\dagger は複素共役で符号が変わって Y=-1/2 である)、E と相殺され、全体としてゲージ不変性が保たれている。
ヒッグスが真空期待値を持ち、対称性を破るとき、
M^{(e)}_{ij}\,e_i^c\,e_j
+M^{(d)}_{ij}\,d_i^c\,d_j
+M^{(u)}_{ij}\,u_i^c\,u_j
+\mathrm{h.c.}
y^{(e)}_{ij}\,v/\sqrt{2},~
M^{(d)}_{ij}=y^{(d)}_{ij}\,v/\sqrt{2},~
M^{(u)}_{ij}=y^{(u)}_{ij}\,v/\sqrt{2}
となって、フェルミオンが質量を得る。ユニタリ変換で行列 M^{(e)} を対角化するように取り直せば、e1=e, e2=μ, e3=τ, ... となる。同様に M^{(d)}, M^{(u)} を対角化すれば、d1=d, d2=s, d3=b, ... , u1=u, u2=c, u3=t, ... となる。このとき、u_i と d_i は二重項 Q_i として変換するので、それぞれを同時に対角化できない。その際のずれがCKM行列である