¿Cómo sabemos que hemos unificado dos interacciones?

La "unificación" se refiere a explicar dos conjuntos de fenómenos (teorías) que estaban previamente relacionados y combinarlos en una sola descripción cohesiva.

Ej: electricidad y magnetismo unificados en electromagnetismo.

Si bien esos dos conjuntos de fenómenos podrían tratarse aproximadamente (en un régimen) ignorando el otro, es importante que los dos fenómenos estén acoplados entre sí en algún régimen . De lo contrario, cualquier unificación sería superficial ya que los dos tipos de física estarían ocurriendo uno al lado del otro, pero por separado .

Si logra unificar dos teorías físicas anteriormente separadas, verá ecuaciones que involucran a ambas, como las ecuaciones de Maxwell que involucran tanto a E como a B. Y como están acopladas, una puede afectar a la otra.

En cuanto a la unificación electrodébil, el grupo calibre no es abeliano. Entonces, la noción de carga se "mejora" en representaciones del grupo de Lie (o álgebra de Lie). Entonces, la afirmación técnicamente correcta sería que existen partículas/campos que estarían influenciados tanto por el electromagnetismo como por la fuerza débil. Uno puede resolver los detalles del mecanismo de Higgs de cómo la teoría electrodébil unificada se "descompone" en electromagnetismo y fuerza débil, y todo encaja bien con las observaciones.

La unificación en física se usa de manera diferente en la física clásica que en el régimen cuántico de partículas elementales.

La unificación de la electricidad y el magnetismo se hizo necesaria cuando aparecieron las relaciones medidas funcionales que conectaban el movimiento de las cargas con el campo magnético y el campo magnético con el movimiento de las cargas. La ley de Biot-Savart y la ley de Ampere . Maxwell unificó estas observaciones en una teoría electromagnética con mucho poder predictivo y que explicaba la radiación con elegancia.

La unificación al nivel de la teoría de partículas elementales se produjo después de las observaciones acumuladas de una plétora de resonancias en la dispersión de partículas entre sí. Las masas y los estados de espín de estas resonancias mostraban una simetría sorprendente y podían organizarse en multipletes , octetos y decuplets SU(3) . El modelo de quarks para los nucleones y mesones surgió de estas observaciones experimentales.

Finalmente, esto condujo al modelo estándar para la física de partículas: SU(3)xSU(2)xU(1). Si observa en los diagramas, por ejemplo

El S = 3⁄2 decuplet de bariones

La simetría se desarrolla con las masas más altas en el nivel más bajo, es la masa la que está separando los varios multipletes de isospín:

El primer barión Omega descubierto fue el Ω−, formado por tres extraños quarks, en 1964. El descubrimiento fue un gran triunfo en el estudio de los procesos de los quarks, ya que se encontró solo después de que su existencia, masa y productos de desintegración habían sido predichos por El físico estadounidense Murray Gell-Mann en 1962 y de forma independiente por el físico israelí Yuval Ne'eman

Las simetrías de grupo de un lagrangiano, en el modelo estándar SU(3)xSU(2)xU(1) que unifica las tres interacciones, electromagnética débil y fuerte, se denominan simetrías porque en principio calculan los resultados operando sobre la función de onda del modelo, estos deben ser invariantes a las simetrías del grupo: medidas de secciones transversales, tiempos de vida, etc. Este es el caso ideal donde cada multiplete representa todas las partículas asignadas a él y tiene una masa de cero. Una aproximación con masa cero sería cierta para las altísimas energías disponibles al comienzo del Big Bang, por ejemplo. el rango de masas medidas de cien GeV más o menos sería aproximadamente cero a esas energías.

En el mundo real, el hecho de que los decupletes, octetos, etc. estén ocupados por diferentes masas nos dice que la simetría se rompe en las energías en las que vivimos, y las partículas adquieren masas. Para dar cabida a esta observación experimental, el modelo estándar incorpora el mecanismo de simetría rota espontáneamente con el campo de Higgs. Esto da masas a los bosones de calibre intermedios al romper la simetría y dar masas a todas las partículas elementales también.

Espero haber respondido a las dos primeras subpreguntas.

¿Hay alguna explicación intuitiva de cómo funciona la unificación electrodébil? ¿Como una carga eléctrica sentirá un campo débil o que una partícula con sabor producirá un campo débil?

El Z y el W son los bosones de norma intercambiados en interacciones débiles y el fotón en las electromagnéticas. A medida que la simetría se rompe en nuestras energías, solo a través de diagramas de Feynman de orden superior habrá un efecto, pero la diferencia en la fuerza de las dos interacciones es de órdenes de magnitud; efectivamente si el electromagnético puede pasar será el más rápido y el primero y abrumará al débil. Los débiles pueden aparecer si se prohíbe el electromagnético, como en las distintas desintegraciones de los piones cargados frente al neutro .