¿Cuál es la necesidad del mecanismo de Higgs y la unificación electrodébil?

El mecanismo de Higgs permite que los campos sin masa adquieran masa a través de su acoplamiento a un campo escalar. Pero si no se pueden predecir las masas porque hay que fijar los acoplamientos, ¿cuál es realmente la utilidad del mecanismo de Higgs? En lugar de decir "Aquí hay acoplamientos a priori ; el mecanismo de Higgs genera masa", podría decir "Aquí hay masas a priori . Punto".

Entiendo que el mecanismo de Higgs es crucial para la unificación electrodébil, pero tengo la misma pregunta allí. ¿Por qué hay que unificar el electromagnetismo y la fuerza débil? Incluso si los acoplamientos del fotón, los bosones Z y W se relacionaron en la unificación, esto todavía tiene el costo de introducir nuevos parámetros, por lo que no me queda muy claro si algo se ha explicado o arreglado.

¿El mecanismo de Higgs o la unificación electrodébil nos dicen algo nuevo? ¿Hace alguna predicción que no tenga el costo de parámetros adicionales? (Realmente no estoy desafiando nada aquí; estoy seguro de que la respuesta a ambas preguntas es 'sí'; solo quiero llenar los vacíos en mi comprensión mientras estudio el Modelo Estándar)

Respuestas (4)

Dbrane, aparte de la "belleza", la unificación electrodébil es realmente necesaria para una teoría finita de interacciones débiles. La necesidad de todos los campos que se encuentran en la teoría electrodébil puede explicarse paso a paso, requiriendo la "unitaridad del árbol".

Esto se explica, por ejemplo, en este libro de Jiří Hořejší:

http://www.amazon.com/dp/9810218575/
Libros de Google:
http://books.google.com/books?id=MnNaGd7OtlIC&printsec=frontcover&hl=cs#v=onepage&q&f=false

El esquema del algoritmo es el siguiente:

La desintegración beta cambia el neutrón a protón, electrón y antineutrino; o un quark abajo a un quark arriba, un electrón y un antineutrino. Esto requiere una interacción directa de cuatro fermiones, esbozada originalmente por Fermi en la década de 1930 y mejorada, incluidos los índices vectoriales correctos y las matrices gamma, por Gell-Mann y Feynman en la década de 1960.

Sin embargo, esta interacción de 4 fermiones está inmediatamente en problemas. No es renormalizable. Puede ver el problema al notar que la probabilidad a nivel de árbol excede instantáneamente el 100% cuando las energías de los cuatro fermiones que interactúan superan los cientos de GeV más o menos.

La única forma de solucionarlo es regular la teoría a energías más altas, y la única forma consistente de regular una interacción de contacto es explicarla como un intercambio de otra partícula. La única partícula correcta que se puede intercambiar para que coincida con las pruebas experimentales básicas es un bosón vectorial. Bueno, también podrían intercambiar un escalar masivo, pero eso no es lo que la Naturaleza eligió para las interacciones débiles.

Así que tiene que haber un bosón de calibre masivo, el bosón W.

Uno descubre la inconsistencia en otros procesos y también tiene que incluir los bosones Z. Uno también tiene que agregar los quarks y leptones compañeros - para completar los dobletes - de lo contrario, hay problemas con otros procesos (las probabilidades de interacciones, calculadas a nivel de árbol, superan el 100 por ciento). Lo sigue y sigue.

Al final, uno estudia la dispersión de dos bosones W polarizados longitudinalmente a altas energías, y nuevamente supera el 100 por ciento. La única forma de restar el término no deseado es agregar nuevos diagramas donde los bosones W intercambien un bosón de Higgs. Así es como se completa el Modelo Estándar, incluido el sector de Higgs. Por supuesto, el resultado final es físicamente equivalente a uno que asume la simetría de calibre electrodébil "hermosa" para empezar.

Es una cuestión de gusto qué enfoque es más fundamental y más lógico. Pero sí es cierto que la forma del Modelo Estándar no se justifica sólo por criterios estéticos; puede justificarse por la necesidad de que también sea consistente.

Por cierto, se necesitan 3 generaciones de quarks para la violación de CP, si fuera necesario. No hay mucha otra explicación de por qué hay 3 generaciones. Sin embargo, la forma de las generaciones también está fuertemente restringida por anomalías. Por ejemplo, un modelo estándar con quarks y sin leptones, o viceversa, también sería inconsistente (sufriría anomalías de calibre).

¡Buen esquema, Lubosh! Me gusta que hayas mencionado algunas dificultades.
Ahora ese es el tipo de respuesta que estaba buscando :) También estoy a favor de la belleza y la elegancia, pero al final solo dejaría que una inconsistencia como la no unitaridad o las anomalías me hicieran agregar cosas a mi teoría. Gracias por la excelente respuesta nuevamente, Lubos. Veré si puedo encontrar una copia del libro al que se refirió.
Gracias, @dbrane, y buena suerte para encontrarlo gratis (quedan 3 copias en Amazon). El autor fue mi instructor de QFT en Praga. @Vladimir, correcto, hay problemas, pero el objetivo, y exitoso, del procedimiento es resolver las dificultades. Y de hecho, se resuelven al final.
Genial, acabo de descubrir que hay libros de física que no puedes encontrar en ninguna de las bibliotecas de Cambridge. :/
@Vladimir, ¿por qué nombras a Lubos como Lubosh? Él no se llama a sí mismo de esa manera y da la impresión de que careces de una actitud respetuosa y justa hacia las personas.
@John, es plausible que Vladimír esté tratando de deformar mi nombre por motivos maliciosos, pero en realidad me encanta escribir mi nombre como Lubosh, al menos antes de llegar a los EE. UU. jaja (pero Vladimír probablemente no sabe que lo hice ). Además, lo deletreo Lubosch cuando me comunico con alemanes, al menos en algunos momentos jaja. Por cierto, deletreé su nombre "Vladimír" porque es la forma correcta de deletrearlo en checo. Creo que los nombres de las naciones eslavas orientales deberían transcribirse a los idiomas occidentales a través de su forma en los idiomas eslavos occidentales civilizados, como el checo.
A John McVirgo: Lo escribo así porque creo que se pronuncia así. Aunque Lubosh nunca votó a favor de mis publicaciones, lo respeto y lo amo. No estaba seguro de la ortografía y le pregunté directamente una vez. No respondió y nunca se quejó de mi forma de escribir. Si realmente distorsiono tu nombre, Lubosh, dímelo, lo cambiaré por el que tú quieras.
@vladimir, disculpas por malinterpretarte entonces.
Es porque "Lubosh" es más fácil de escribir que "Luboš", al menos en mi computadora. Soy flojo, así que lo llamo "Dr. Motl".
me gusto mucho esta explicacion, muy motivacional, +1

La unificación electrodébil significa que existe una simetría entre las interacciones electromagnéticas y las débiles; puede usarlas indistintamente. En realidad, este no es el caso -- W y Z los bosones tienen masa, mientras que los fotones no.

El mecanismo de Higgs proporciona una forma de ruptura espontánea de la simetría entre esas interacciones: el modelo estándar de Lagrange es simétrico electrodébil, mientras que el vacío no se debe a un valor esperado de vacío distinto de cero para el campo de Higgs.

Lo mismo se aplica a los fermiones: no puede introducir términos de masa para quarks y leptones en el Lagrangiano, mientras conserva la simetría electrodébil. Pero es posible introducir términos de Yukawa simétricos electrodébiles, acoplando el campo de Higgs a los fermiones.

Editar:
no creo que el mecanismo de Higgs pueda "decirnos algo nuevo". Es solo una forma más simple de garantizar la ruptura espontánea de la simetría. Mientras que la unificación electrodébil significa que esas interacciones son interacciones de calibre y establece la simetría de calibre en sí. La clasificación de los fermiones en tres generaciones también se realiza desde el "punto de vista electrodébil".

Por supuesto que se puede argumentar que esta sistematización o clasificación no es “algo nuevo”. Pero desde ese punto de vista uno puede criticar casi todas las construcciones teóricas que intentan predecir los resultados de futuros experimentos.

Gracias, pero no has respondido a mi pregunta, solo la has hecho un poco más explícita. La introducción de términos de masa rompe la simetría electrodébil. Entonces, en su lugar, imponemos una simetría electrodébil en una teoría sin masa y usamos el mecanismo de Higgs para generar nuevamente las masas. Mi pregunta es, ¿por qué no asumir que nunca hubo una simetría electrodébil para empezar, y todo el tiempo trabajar con una teoría masiva sin ruptura de simetría? Eso es un campo escalar menos y una partícula menos que buscar.
Por supuesto, es genial que esto conduzca a la predicción de una nueva partícula. Pero no puedo, en este momento, ver por qué la Naturaleza querría cargarse con un campo escalar adicional y una partícula asociada cuando podría hacer todo como una teoría sin SSB con la misma cantidad de parámetros libres.
Muy buen razonamiento! ¡Lo apoyo con mis dos manos!

Es cierto que reconociendo que los datos tienen una simetría SU2xU1 uno tiene una serie de parámetros y se puede decir que el problema número uno se ha reducido al problema número dos que tiene el mismo número de incógnitas.

Permítanme dar el ejemplo citado a menudo de los epiciclos en el sistema geocéntrico y las elipses en el heliocéntrico. El número de parámetros es el mismo, y si vas a un programa de planetario y vas al marco geocéntrico, los epiciclos aparecerán en todo su esplendor. Sin embargo, ahora no hay nadie que pregunte, "de qué sirve ordenar los datos en el sistema heliocéntrico".

Preguntar "por qué debería unificarse el electromagnetismo con la teoría débil" es un poco como preguntar "por qué tener un sistema heliocéntrico". La respuesta es que en ambos casos, los datos se ordenan sin esfuerzo. Y luego fuimos conducidos a simetrías más altas (SU3xSU2xU1) y teorías más inclusivas.

Debí haber agregado que la claridad introducida por las simetrías/el orden una vez manifestado conduce a teorías calculables que pueden describir los datos y hacer predicciones para nuevas observaciones. El Higgs es una de esas predicciones que surgen de las teorías que describen las simetrías del modelo de quarks. Si no se encuentra, habrá que repensar (aunque hay artículos que afirman que un mecanismo de Higgs puede ser una manifestación compuesta, no necesariamente una partícula).

"sin esfuerzo"? ¡Cuánta niebla suministran para ocultar los fracasos de este enfoque!
@Anna: No, no es lo mismo porque requerir unificación introduce una nueva partícula física . No es en absoluto como mirar las cosas desde un marco de referencia más natural (como en heliocen vs geocen) porque allí las dos descripciones son igualmente válidas en el sentido de que no difieren en las predicciones, pero difieren en cómo encajan. naturalmente con las teorías conocidas de la mecánica celeste.
@dbrane Bueno, el sistema heliocéntrico introduce una fuerza que no estaba presente en la visión geocéntrica del mundo, ¿no?
Pero la vista geocéntrica también involucra fuerzas, por supuesto, solo que son mucho más complicadas de calcular debido a la elección "antinatural" de las coordenadas. Y de nuevo, al final, las predicciones son las mismas.
A Anna: No estoy de acuerdo con tu analogía con la mecánica celeste. Y hablas de introducir una "nueva partícula física" como un logro del intelecto humano, mientras que es una solución de teoría sin valor (sin masa). Puedo recordarles partículas desnudas, partículas virtuales, fantasmas, todo inventado para permanecer en este enfoque fallido. Me encantaría saber cómo se ve el electrón físico. Nadie puede describirlo todavía.
@dbrane, durante muchos siglos, no hubo fuerzas, solo observaciones ordenadas en el problema de la esfera celeste y el epiciclo. De la misma manera, probablemente podría escribir todo sin reconocer las simetrías existentes y sería un proyecto largo obtener los mismos resultados que encajan cuando se consideran las simetrías.
@Vladimir Sugeriría que contemplaras un poco las cifras: en.wikipedia.org/wiki/Eightfold_Way_%28physics%29 . Esos provienen de datos duros y muestran una gran simetría y condujeron a la organización su3xsu2xu1 que nos trajo los quarks y los leptones en un solo modelo.
@Anna: Ok, ahora veo que estás comparando la ignorancia pre-newtoniana de las fuerzas con nosotros que no reconocemos la existencia de la simetría electrodébil. Pero todo mi punto es que el mundo, hasta donde lo conocemos por experimentación, no respeta la simetría electrodébil; dirías que está roto, pero eso requiere más equipaje "Occam" en forma de partícula de Higgs. Las fuerzas no se introdujeron y luego se eliminaron con otro concepto, como la forma en que se introduce la simetría electrodébil y luego se elimina con el mecanismo de Higgs.
A Anna: Lo sé. El problema es que nadie puede explicar qué son los quarks, así como las demás partículas. ¿Están desnudos, vestidos o no te importa?
@Anna: Además, el Camino Óctuple tiene que ver solo con la simetría SU (3) (corríjame si me equivoco). No niego la existencia o utilidad de SU(3) (color exacto o sabor aproximado), SU(2) o U(1) de forma independiente. Estoy preguntando por qué cruzar SU (2) y U (1)? :)
@dbrane, también debe consultar el orden óctuple de partículas y resonancias en.wikipedia.org/wiki/Eightfold_Way_%28physics%29 . El mundo tal como lo conocemos respeta aproximadamente la simetría electrodébil de las masas, de ahí la necesidad de romper la simetría, no por los números cuánticos, sino porque las masas en un multiplete no son las mismas. En el ejemplo heliocéntrico, tal vez las elipses estén deformadas :) (lo cual es cuando se tiene todo en cuenta). Esto no resta valor a la utilidad de las simetrías aparentes en el sistema heliocéntrico.
@Anna: Realmente no veo cómo esto es relevante desde aprox. La simetría de sabor SU (3) no es realmente una consecuencia de ningún SSB hipotético fundamental, hasta donde yo sé. Hmmm, eso realmente me hace querer hacer otra pregunta: ¿por qué hay aprox. SU (3) simetría de sabor en absoluto? :/
@dbrane El SU3 del camino óctuple no es el SU3 de SU3XSU2XU1. Llevó a la gente a pensar en grupos de simetría y álgebras de Lie.
@Anna: Lo sé, soy consciente de la distinción entre el color exacto SU(3) que aparece en SU(3)xSU(2)xU(1) y aprox. sabor SU(3)
@dbrane eche un vistazo a este análisis pdg.lbl.gov/2010/reviews/rpp2010-rev-quark-model.pdf . Muestra las mismas parcelas en un modelo de quark
@Vladimir El modelo de quark organiza los datos con éxito, esa es su justificación. En el enlace de arriba, el Omega se predijo antes de que se encontrara, solo a partir de las simetrías.
Sí, lo sé. Hablo de construcciones teóricas. Algunos de ellos, a pesar de las simetrías introducidas, son difíciles de tratar en la práctica. Por ejemplo, los quarks son buenos para "organizar datos", pero cuando preguntamos sobre el quark en sí, resulta que el quark no es separable, siempre está estrechamente unido, es difícil de separar como una sola "partícula".

En un enfoque fenomenológico se introducen masas sin problema.

Es en los enfoques de "invariancia de calibre local" donde uno necesita una solución porque, desafortunadamente, el enfoque de calibre no proporciona masas. Técnicamente, se implementa como un "acoplamiento" de Higgs de alguna manera.

Nunca consideré que el "principio de invariancia de calibre local" fuera razonable o físico. Es una de las muchas formas ciegas de "construir" teorías que interactúan; no garantiza nada físico y no nos salva de infinitos en los cálculos. Se ha hecho por analogía con QED, que en sí mismo tiene problemas. De esta manera necesita arreglos.

Diría que el Higgs es un precio por elegir un enfoque "matemático" en lugar de físico para construir teorías. Es una suposición equivocada, en mi opinión. Hay más ideas físicas sobre este tema, pero siguen siendo desconocidas y, por lo tanto, sin explotar.

¿Qué es ese "enfoque fenomenológico" al que te refieres?
¿Recuerdas la ecuación de Schroedinger con metro mi o ecuación de Dirac con metro mi ? Algo como esto, si quieres.
¿Cuál es la necesidad del mecanismo de Higgs y la unificación electrodébil?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v