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楼主: henryharry2

[建议] 电弱统一理论

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 楼主| 发表于 2015-12-1 05:12:00 | 显示全部楼层

Higgs机制

最早明确指出这一点的是美国凝聚态物理学家P. Anderson(1923-)。对于 Anderson来说,Goldstone定理显然不可能是普遍成立的,因为当时人们就已经知道超导体是一个连续对称性—U(1)对称性—自发破缺的体系, 但在这一破缺过程中并没有产生无质量的Goldstone粒子。 Anderson很正确地意识到 U(1)对称性的定域特点是使 Goldstone 定理失效的关键。由于并非只有定域 U(1)对称性具有定域特点,事实上所有杨-Mills理论也都具有这一特点。因此Anderson在1963 年猜测道: “Goldstone的零质量困难并不是一个严重的困难,因为我们很可能可以用一个相应的杨-Mills 零质量问题来消去它”。 Anderson的想法得到了一些物理学家的认同,但也有人认为这种凝聚态物理的类比不能应用到相对论量子场论中。这一怀疑很快就被推翻了。1964 年,英国物理学家 P. Higgs (1929-)、比利时物理学家 F. Englert 与 R. Brout 等几乎同时证实了Anderson 的想法。这便是描述规范对称性自发破缺的著名的 Higgs机制。
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 楼主| 发表于 2015-12-3 05:52:19 | 显示全部楼层

Higgs粒子

不过Higgs等人的漂亮工作并没有引起立即的轰动。Higgs就这一工作所写的两篇短文的第二篇甚至一度遭到退稿,理由是“与物理世界没有明显关系”。这一退稿理由使Higgs深感不快,但也促使他更深入地考虑了理论可能带来的实验结果,并对论文进行了补充。Higgs后来认为,他因遭到退稿而偶然添加的那些内容是人们将Higgs粒子及Higgs机制与他的名字联系在一起的主要原因。
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 楼主| 发表于 2015-12-7 05:20:23 | 显示全部楼层

Higgs机制

用技术性的语言来说,在Higgs机制中对应于Goldstone粒子的那些自由度可以被定域规范变换所消去 (必须注意的是: “定域” 二字在这里至关重要,整体的连续变换是不具有这种能力的)。从规范理论的角度讲,这相当于选取了一种被称为幺正规范 (unitary gauge) 的特殊规范。这种特殊规范的选取造成定域规范对称性的破缺,从而使原本受定域规范对称性所限必须无质量的规范粒子可以获得质量。人们有时把这种机制形象地描述为:规范粒子通过 “吃掉” Goldstone粒子而获得质量。
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 楼主| 发表于 2015-12-9 12:48:23 | 显示全部楼层

流代数

1958年就已确定,正像电磁相互作用可以用电磁流描写一样,弱相互作用可以用弱流描写。这些流在洛伦兹变换下的性质可以分为矢量流及在空间反射变换下性质相反的轴矢量流两种类型。60年代初,确定了强相互作用具有近似的SU(3)对称性,矢量流及轴矢量流属于SU(3)的八重表示,流代数是在这些成果的基础上提出来的,它以这些矢量流及轴矢量流算符在同一时刻的对易关系(等时对易关系)形成的代数结构作为基本假设。此外,在具体应用流代数时,还常常假设矢量流守恒及轴矢量流部分守恒,后者原来是对SU(2)的轴矢量流提出的,其确切含意是同位旋轴矢量流的散度正比于π介子质量的二次方与π介子场算符的乘积。由于π介子的质量很小,这一假设意味着同位旋轴矢流近似地守恒,所以称为部分守恒。有时也把这一假说推广到SU(3)的轴矢量流。此时将由相应的赝标介子代替π介子。由于其他赝标介子的质量比π介子的大得多,所以,对于推广出来的那些轴矢量流,部分守恒假设的准确程度会比同位旋轴矢量流差得多。
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 楼主| 发表于 2015-12-9 12:58:59 | 显示全部楼层

流代数与强子结构模型

流代数与强子结构模型是密切相关的。原则上,如果强子的组分及其动力学研究清楚了,就可以导出流代数。但是在60年代中期,强作用的理论还没有建立(即使到现在,尽管强作用理论取得了很大的进展,也仍有大量问题没有得到解决),所以流代数的做法是不管强作用的具体形式,直接从对流的代数结构的假设出发。最常用的流代数的具体结构假设为与自由夸克模型中流算符满足的代数一样。具体地研究存在相互作用时的夸克模型流对易子,发现确实只有少数很少应用的对易子(涉及流算符的空间分量的)与相互作用有关。
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 楼主| 发表于 2015-12-10 04:38:12 | 显示全部楼层

流代数发展

涉及流的空间分量的代数的研究及应用均很少。
应用部分轴矢量流守恒假设以及将π介子质量从物理值延拓到零时矩阵元缓慢变化的假设,导致了有关辐射及吸收低能π介子的低能定理。它与流代数一起,已应用于s波π介子-核子散射长度的计算及一些半轻子和非轻子衰变过程。
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 楼主| 发表于 2015-12-10 04:46:20 | 显示全部楼层

流代数发展

只考虑流算符时间分量(但不对全空间积分)的时间分量代数与矢量流守恒假设一起导致卡比玻-拉迪卡蒂(Cabbibo-Radicati)求和规则以及德雷尔-赫恩(Drell-Hearn)求和规则(后一规则也可由其他理论导出),前者把核子电磁形状因子与光生截面联系起来,后者把质子的反常磁矩与自旋平行及反平行于质子自旋的光子被质子吸收的截面联系起来。把实验数据用模型处理后与之比较,结果也符合。不过这些检验是依赖于数据处理的模型的。
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 楼主| 发表于 2015-12-10 04:48:52 | 显示全部楼层

流代数发展

60年代末到70年代初,随着高能量实验的发展,提出了光锥流代数。其特点是用光锥间隔的流对易子假设代替流的等时对易子假设。很快就发现,光锥流代数与朴素的部分子模型等效。由于部分子模型给出了更清晰的物理图像,并且,在部分子模型的基础上,用微扰量子色动力学计算高阶辐射修正,预言了实验上现已看到的标度无关性的微小破坏,所以,光锥流代数的研究已经停滞了。
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 楼主| 发表于 2015-12-16 14:11:12 | 显示全部楼层

标准模型

至于标准模型中的第三种作用力,弱核力的强度相当弱,但如果没有它,驱动太阳和其他恒星的放射性衰变就不会发生。这种力之所以微弱,大约是因为携带这种力的粒子——W玻色子和Z玻色子——质量几乎是质子的100倍。创造出这样的粒子需要大量能量。在通常条件下,如果可以的话,物质粒子更愿意交换没有质量的光子来发生相互作用。
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 楼主| 发表于 2015-12-25 07:45:07 | 显示全部楼层

非阿贝尔规范理论

非阿贝尔规范理论是在1954年由杨振宁和密耳斯(Mills, R.L.)提出来的。1961年,格拉肖(Glashow, Sheldon Lee 1932~)首先把这一理论用于电磁作用与弱作用的统一。1967年温伯格(Weinberg, Steven1933~)与萨拉姆(Salam, Abdus1926~)又在对称性自发破缺的基础上,提出了电磁与弱相互作用的具体模型,并预言了弱中性流的存在。1970年胡福特(Hooft)等人又将这一模型做了重正化发展。1973年,美国费密实验室与欧洲核子中心相继发现与模型一致的弱中性流。人们确信,非阿贝尔规范场理论不仅是把电、弱,甚至还将是把引力以及强相互作用都统一在内的有力工具。
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 楼主| 发表于 2015-12-27 05:30:18 | 显示全部楼层

冰立方

IceCube中微子探测器是位于南极阿蒙森-斯科特站冰盖以下的三维大气簇射阵列,由美德等10国共同建设维护,主要目标用来探测地外高能中微子源,为理解高能宇宙射线打开一扇新的窗口。IceCube单个DOM探测器以分布在冰面上的1平方公里的探测器 (81个站点,324个探测器) 组成的IceTop部分;在冰面下方,是由一系列“绳索”悬吊着的一系列探测器,这些探测器在冰面以下1.45到2.45公里处组成的1立方公里的探测器阵列 (IceCube Array),一共有86条“绳索” ,每条上面有60个光学探测器 (称为DOM:digital optical modules,数字化光学模块);其中还有被称为DeepCore的8条“绳索”上面的480个专门为探测低能量中微子优化的探测器子阵列。
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 楼主| 发表于 2015-12-31 04:31:55 | 显示全部楼层

Higgs机制

用相对论平均场近似方法研究中子星的磁场,会遇到一个问题,那就是作为磁量子的光子具有零质量。于是很多作者,要么忽略磁场的存在,要么把光子当作简单的介子处理,又或者是把磁场当作外场。近来有研究表明,在高密核物质内部,由于电荷U(1)定域规范对称性的自发破缺,通过Higgs机制,光子可以获得有效质量,其大小直接与核物质密度相关。
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 楼主| 发表于 2016-1-11 05:18:53 | 显示全部楼层

规范场理论

初看起来,规范场理论只包含相当窄的一类量子场论模型。然而目前越来越流行的一种看法是,这一理论有希望变成基本粒子理论的基础。根据是:
第一、得到实验完全证实的理论(量子电动力学)是规范理论的一个特殊情况;
第二、弱作用的唯象模型在规范理论的框架内得到了一个精致而又自洽的表述。唯象的四费米子相互作用已被中间矢量粒子,即杨-Mills场的量子的相互作用所代替。对规范不变性的要求加上已有的实验数据,预言了弱中性流和一种新的强子量子数(粲数)。
第三、强作用的唯象夸克模型看来也是在规范理论的框架内有最自然的基础。在量子场论范围内,规范理论给出了描述渐近自由现象的可能性。这种理论也有希望解释夸克禁闭,虽然这一问题目前还不十分清楚。
最后,规范原理的推广有可能将引力相互作用也放在杨-Mills场的普遍方案内。
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 楼主| 发表于 2016-1-16 04:28:40 | 显示全部楼层

杨-Mills场

因此,产生了在一个单一原理的基础上解释自然界存在的所有各种相互作用的可能性。以前不为人所接受的“统一场论”这个词,现在在规范场论的框架内获得了新生。不论所有这些巨大的期望将可能实现到什么程度,今天杨-Mills理论已经是理论物理的一个基本方法,而且无疑在未来的基本粒子理论中也将占有重要位置。有许多科学家参与了这一理论的建立过程。
1953年,杨振宁和Mills首先将电荷相互作用的规范不变原理推广到同位旋相互作用的情况。他们提出了一种矢量场(后来被称为杨-Mills场),并且在经典场论的范围内研究了这种场的动力学。1967年,法捷耶夫和波波夫以及德威特建立了无质量杨-Mills场量子化的自洽方案。同年,Weinberg和Salam分别独立地提出了弱作用和电磁作用的统一规范模型。在这一模型中,电磁场和中间矢量玻色子场联合成为一个多重杨-Mills场。Higgs和Kibble最先提出用对称性自发破缺来产生矢量玻色子质量的机制,从而为上述弱电统一模型的建立奠定了基础。
1971年,特Hooft证明了,无质量杨-Mills场量子化的普遍方法实际上能够不作任何改变地运用于对称性自发破缺的情况。这样就有了为有质量的矢量场建立自洽的量子理论的可能性,而这正是弱作用理论,特别是Salam-Weinberg模型所需要的。
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 楼主| 发表于 2016-1-22 05:18:14 | 显示全部楼层

规范场量子理论

截至1972年,在微扰论的框架内建立规范场量子理论的工作已部分完成。在Slavnov、Taylor、李昭辉和Zinn-Justin、特Hooft和Veltman等人的文章中,研究出了不变正规化的不同方法,得到了广义Ward恒等式,创立了微扰论的重正化方法。这样就为杨-Mills场建立了一个有限的幺正的散射矩阵。从那时以来,规范场理论在理论上和唯象学上发展都很快,这一发展史可在高能物理国际会议的报告中看到。
现在,我们从简短的历史回顾转向描述杨-Mills场本身。先复习一下紧致李群理论中的某些概念。我们主要对这些群的李代数感兴趣。设Ω为一个紧致半单李群,也就是一个没有不变可对易(Abel)子群的紧致群。标志这个群的任一元素的独立参量数目(即维数)等于n。在这个群和它的李代数的各种表示之中有一个n×n矩阵的表示(伴随表示),它由这个群通过相似变换自然地作用在自身上而产生。
在李代数的伴随表示中的任一矩阵Γ能够表示为n个生成元的线性组合。对我们来说,重要的是生成元能归一化。对李群理论不熟悉的读者可以只记住这两个关系式,它们实际上是紧致半单李群的特征性质。如果一个紧致半单群没有不变李子群,则它称为单纯群。一般的半单群是单纯群的积,这意味着李代数在伴随表示中的矩阵具有分块对角的形式,其中每一块对应一个单纯因子。
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 楼主| 发表于 2016-2-3 10:20:02 | 显示全部楼层

手征性

对于弱作用,基本的成分是一些有确定手征性的态,它们有零质量(一个有限质量的本征态是左手态和右手态以相等权重叠加)。Glashow最早提出了一种以规范群SU(2)乘U(1)为基础的电弱相互作用的统一理论,它把不同的无质量的手征态混合在一起。然而,事实上物理粒子都有有限的质量,这似乎使这一对称性遭到了破坏。温伯格和萨拉姆(Salam)靠了一种“对称性自发破缺”的观念挽救了这种似乎走投无路的困难局面。在Weinberg-Salam标准模型中,上述思想是通过引入“希格斯(Higgs)场”来实现的。
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 楼主| 发表于 2016-2-8 07:22:04 | 显示全部楼层

中微子

20世纪50年代中期,雷恩(Frederick Reines)和柯万(Clyde Cowan)发现了第四种基本粒子的确凿实验证据,它叫中微子——它的存在,泡利 (Wolfgang Pauli)早在20世纪30年代初就预言过了。后来发现,中微子很难找到,它们像幽灵一样,很少与其他物质发生相互作用,能穿过几百亿千米厚的铅,而运动几乎不受影响。这样你可能会感到轻松多了:因为在你读这句话时,从太阳向太空喷发的几十亿个中微子正在穿过你的身体,然后穿过地球,继续它们在宇宙间孤独的旅行。
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 楼主| 发表于 2016-2-11 05:34:21 | 显示全部楼层

中微子

对中微子的研究有多重视?翻越资料发现中微子已经是第四次受到获得诺贝尔奖的青睐。1995年的诺贝尔物理学奖授予因发现电子中微子的美国科学家莱因斯;1988年的诺贝尔物理学奖授予因发现第二种中微子——μ中微子的美国科学家莱德曼、施瓦茨和斯坦伯格;2002年诺贝尔物理学奖授予因发现太阳中微子和超新星中微子的美国科学家雷蒙德·戴维斯和日本科学家小柴昌俊。
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 楼主| 发表于 2016-2-11 06:37:08 | 显示全部楼层

自发对称性破缺与Higgs机制

最早Higgs机制是在凝聚态物理中出现,早期并不想高能物理那样,凝聚态理论中的Higgs机制仍不是相对论形式。我们不妨先从凝聚态物理的量子多体理论的角度来讨论Higgs机制。一个复标量场(Higgs场)具有两个自由度:振幅场χ以及相位场θ,即分离变量形式。我们可以首先对Higgs机制采用二次量子化的量子多体理论的语言来进行描述。
对复标量场进行平移,我们可以来研究一下这种真空自发破缺的动力学行为(自发性的原因是因为并非哈密顿量造成真空的对称性破缺,也即非动力学因素,而是真空基态的简并使得它被破坏)。由于场χ在哈密顿量中具有自相互作用能χ的4次方,引起真空凝聚的时零点能是非零的,并使得真空发生相变(能谱由原来的抛物面变为“墨西哥帽”形状)而处于场χ的Bose相干凝聚态。
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 楼主| 发表于 2016-2-11 06:43:55 | 显示全部楼层

自发对称性破缺与Higgs机制

计算场激发的平方谱可发现正比于场质量项平方,由于是复的场,因此还出现一支零质量Goldstone谱(在计入规范场耦合后会消失)。现在考虑单模复标量场与电磁场耦合,利用超流体理论中的处理方法“Bogouliubov变换”,变到新的“准粒子”真空态来讨论。在新的真空本底上,中性场χ的元激发(经过变换后哈密顿量对角化,它对应于Green函数的极点)具有实质量。而原来横向极化的两个零质量光子变成了带有效质量的重光子,同时这个重光子还具有一个纵向极化自由度。从而原来无质量三个场:θ场以及两个极化方向的电磁场分量,在经过真空相变合并为同一种重光子的三个极化自由度。
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GMT+8, 2017-11-24 22:52

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