¿Cómo se unificaron y probaron el electromagnetismo y la interacción débil?

Voy a suponer que no eres técnico y esbozaré una historia generalizada de por qué la gente pensaría que la interacción débil tendría algo que ver con el electromagnetismo. Esto va a ser un poco metafórico y muy poco técnico, y es probable que me equivoque en algunas cosas. Por favor comenta como tal, y lo arreglaré. También tenga en cuenta que necesariamente voy a dejar detalles importantes fuera de esta discusión. Esta no es una introducción a la teoría electrodébil, es una motivación para comprender la pregunta original.

Entonces, lo primero fue la predicción de Fermi del neutrino. Esto sucedió porque las mediciones cuidadosas mostraron que la descomposición de un neutrón en un protón y un electrón parecía no conservar el impulso. Debido a que la descomposición observada parecía conservar la carga, esto requería que el producto de la descomposición no tuviera carga. Los principios de conservación también indicaron una partícula con muy poca masa. Por lo tanto, Fermi propuso el nombre de "neutrino" para una partícula muy ligera que era producto de esta descomposición y que se llevó el impulso faltante. Propuso una interacción en la que cuatro partículas puntuales interactuaban simultáneamente, y esto pareció funcionar relativamente bien, y nació la noción de la "fuerza nuclear débil", ya que esta interacción aparentemente era de corto alcance.

Pasó el tiempo y la teoría de la perturbación se volvió más sofisticada. Se descubrió que la teoría de Fermi de la interacción débil era inconsistente en sí misma a energías más altas que la desintegración de neutrones. Además, se descubrieron simetrías entre ciertos pares de partículas; por ejemplo, a energías mucho más altas que la masa del electrón, la fuerza débil parecía tratar a los electrones y neutrinos de manera que fueran aproximadamente intercambiables. Efectos similares ocurrieron para varios otros pares de partículas. De la teoría de grupos, sabemos que este tipo de simetría es descrita por el grupo$SU(2)$, y entendimos la dinámica de la electromagnética$U(1)$teoría bastante bien en los años 50, por lo que parecía lógico tratar de escribir un$SU(2)$teoría de la fuerza débil, y deshacerse de la interacción de cuatro fermiones con un equivalente de fuerza débil del fotón (que en realidad serían tres bosones, en lugar de uno).

Esto, sin embargo, tenía dos problemas:

1) no había forma de escribir una teoría de calibre consistente que fuera de corto alcance; esto requería dar masa a los bosones, y la masa rompió la magia del calibre

2) Se descubrieron varios canales de desintegración que indicaban que los bosones de calibre tenían que venir en variedades cargadas y no cargadas, para apoyar procesos como:

así como otros como la corrección débil a:

Pero no estaba claro cómo hacer que los bosones de calibre vinieran en variedades cargadas y no cargadas eléctricamente.

Entonces, ambos problemas se resolvieron con la introducción de la unificación de la fuerza electromagnética con la fuerza débil. La historia corta es que se creó un grupo lo suficientemente grande como para contener a ambos. Luego, se agregó el bosón de Higgs, y la clave aquí es que la teoría se construyó de tal manera que el bosón de Higgs tenía un valor distinto de cero en el vacío, y esto eligió una dirección "especial" en el$SU(2) x U(1)$espacio que forzó la mezcla, y dejó un bosón sin masa y tres masivos, dejando también dos bosones sin carga (uno de los cuales era el sin masa) y dos cargados. Debido a que todas estas propiedades surgieron de la ruptura de la simetría de Higgs, y no son fundamentales, también resolvieron los problemas con la inconsistencia y el calibre de ruptura de los bosones masivos: la masa era solo una cosa aparente creada por el Higgs.

La otra cosa que no vale nada es que el$U(1)$en el electromagnetismo es un grado de libertad sin masa "sobrante" que está en una dirección mixta dentro del$SU(2) x U(1)$, NO es el$U(1)$en la simetría electrodébil. Esta mezcla da lo que da a los bosones débiles su carga eléctrica.

Espero que esto haya sido útil. Traté de caminar por la línea entre agitar demasiado las manos y ser demasiado técnico.