¿Podría la ruptura espontánea de la simetría electrodébil explicar la materia oscura y la energía oscura? [cerrado]

La ruptura de simetría espontánea electrodébil es mucho más difícil para mí de entender que la transición de fase de plasma de gluón-quark. En este último, las leyes físicas siguen siendo las mismas y los gluones y los quarks simplemente se unen por debajo de un umbral de temperatura porque la energía libre que describe sus propiedades termodinámicas presenta un nuevo mínimo global único.

Sin embargo, en el EWSSB, las leyes físicas fundamentales que describen las interacciones de partículas (nuestro modelo estándar de física de partículas) cambian en esa transición de fase. Solía ​​pensar que era solo un artefacto para explicar las interacciones EW, pero dado que se descubrió el bosón de Higgs y se está llevando a cabo una exploración sistemática del sector de Higgs en el CERN, EWSSB debe tomarse en serio.

Ahora me pregunto si hay más en el EWSSB de lo que parece. Más precisamente, ¿podrían explicarse la materia oscura y la energía oscura por esta transición de fase?

1.- Creo que es razonable considerar que la ruptura espontánea de la simetría electrodébil fue una verdadera transición de fase termodinámica.

2.- También creo que también es razonable suponer que se trató de una “transición de fase de primer orden”.

3.- Creo que también es posible/probable que el campo escalar isoespinor (campo de Higgs), pudiera haber presentado dos mínimos globales diferentes , uno con VEV cero y otro con VEV distinto de cero cuando comenzó la transición de fase. Usualmente, las transiciones de fase de primer orden ocurren porque aparece un nuevo mínimo global de la energía libre del sistema termodinámico además del ya existente. Estos dos mínimos globales permiten la coexistencia de dos fases diferentes con diferentes propiedades físicas, al menos por un tiempo. Hasta donde yo sé, mientras el sistema termodinámico que experimenta las transiciones de fase de primer orden presenta dos mínimos globales de energía libre diferentes, las dos fases coexisten en todas partes, al menos en el límite termodinámico.

Nucleation and domain expansion start only later (if they do), when one of 
the minima becomes local and the remaining one stays global. The phase 
belonging to the global minimum nucleates and expands at the expenses of the 
one belonging to the local minima. The picture can become more complicated 
if the transition process from being a global minimum to becoming a local  
one is very fast (water supercooling would be an example).

4.- Si el campo de Higgs todavía tuviera los dos mínimos globales en la actualidad (o uno global y uno local sobreenfriado separados por una gran barrera de energía libre), creo que tendríamos dos conjuntos diferentes de partículas elementales con diferentes características físicas. propiedades. Las verdaderas cargas manométricas y los valores de masa en estos dos conjuntos de partículas serían:

a) Color, weak isospin, weak hypercharge and zero masses. (Higgs field 
VEV=0).

b) Color, weak isospin and EM charge and non-zero massess. (Higgs field 
VEV > 0).

5.- Si tuviéramos los dos conjuntos de partículas elementales, sus interacciones podrían ser muy, muy débiles (es solo una suposición). Doy por sentado que, al menos, interactuarían gravitacionalmente.

6.- Si todo esto fuera posible, ¿podría explicar la materia oscura y/o la energía oscura ?

For example, the long-range weak forces (in the massless sector) between 
particles with the same Y_w and I^3_w could lead to large-scale repulsive 
effects (see Quantum Field Theory 2nd Edition by Lewis E. Ryder, page 306 
and references therein) that could, perhaps, explain the accelerated 
expansion of the universe.

Me disculpo de antemano por publicar esta pregunta de una manera tan extraña. Sin embargo, es la única manera que he podido expresar lo que tenía en mente.

También me doy cuenta de que es paradójico (supongo que a muchos les parecerá risible) pensar en dos conjuntos de partículas elementales que cumplen leyes físicas diferentes, así que, por favor, no sean demasiado duros conmigo. Puedo seguir las matemáticas de EWSSB pero cuando pienso en el proceso físico (leyes físicas fundamentales que, ¿cambian/evolucionan repentinamente? ¿cambian/evolucionan gradualmente?) siento que hay algo que definitivamente no estoy haciendo bien o el proceso dinámico de la ruptura de la simetría es muy poco conocida.

He escrito el sexto punto, planteando una sola pregunta y reformulando todo lo demás porque, para ser honesto, esta es la razón por la que comencé a pensar en el EW-SSB. Me he estado preguntando durante un tiempo si un modelo estándar de Higgs sin masa que coexistiera con nuestro modelo estándar podría producir un conjunto de "partículas que casi no interactúan" que podrían explicar los componentes oscuros del modelo cosmológico Lambda-CDM.

El sentido común me dice que la respuesta es no. No soy tan ingenuo como para pensar que es probable que todo esto sea correcto. Pero debería ser posible (tal vez incluso fácil) verificar que la idea es incorrecta porque asumo que la física de un modelo estándar de Higgs de masa cero puede resolverse o, mejor aún, quizás alguien ya lo haya hecho. Como no he podido encontrar esa información y no puedo resolverlo por mí mismo, decidí publicar esta pregunta.

Si ya se ha desarrollado un modelo de este tipo (modelo estándar de Higgs de masa cero), hágamelo saber. Un enlace sería muy apreciado.

La gente se preguntará qué quiere decir con "coexistir". De physicsforums.com/threads/ ... ¿parece que quiere decir que existirían en dominios espaciales adyacentes?
@MitchellPorter Sí, el término "coexistencia de fase" generalmente se refiere a dominios espaciales adyacentes.
Estrechamente relacionado, posible duplicado: physics.stackexchange.com/q/343532
Sí, las dos preguntas son muy similares de hecho.
Ni siquiera estoy seguro de que la "coexistencia de fases" deba referirse a dominios espaciales adyacentes. La función de energía libre no es analítica en las transiciones de fase. En cualquier lugar (en un recipiente con agua hirviendo) puede encontrar gotas de agua o de vapor. Así que me preguntaba si los dos conjuntos de partículas podrían coexistir en el espacio-tiempo mientras se estaba produciendo la transición. Lo que me gustaría saber si esto sería posible y si lo fuera, ¿habría algún tipo de interacción entre los dos conjuntos de partículas?

Respuestas (3)

Los cálculos de celosía realizados en los años 90 han demostrado de manera bastante definitiva que la transición de fase electrodébil es un cruce suave (NO es una transición de fase brusca), consulte, por ejemplo, https://arxiv.org/abs/hep-lat/9809045 . Esto se sabía incluso antes de que se descubriera el Higgs, porque la masa del Higgs correspondiente al punto final de segundo orden de la transición de primer orden a baja metro H es metro H ( C r i t ) 75 GeV, por debajo del límite inferior de metro H extraído de datos electrodébiles de precisión en LEP. Ahora, por supuesto, sabemos que de hecho parece haber un solo Higgs con metro H 125 GeV. Es posible que los modelos extendidos con Higgses adicionales que brindan una transición de primer orden no estén totalmente muertos, pero se están volviendo muy complicados.

Debo mencionar por qué a la gente le importa esto: para que la bariogénesis electrodébil funcione, debemos satisfacer los criterios de Sakharov, y uno de ellos es que necesitamos un proceso de no equilibrio. En una transición de primer orden podemos tener superenfriamiento y nucleación de burbujas, pero en un cruce suave el sistema nunca está muy lejos del equilibrio. Entonces, el hecho de que la transición sea suave fue uno de los hechos que mató la bariogénesis EW.

¿Sabe si la densidad de energía libre es suave pero no analítica en la transición, como en la transición de Kosterlitz-Thouless, o si en realidad sigue siendo analítica y no hay ninguna transición? No veo cómo un sistema por encima y por debajo de las temperaturas críticas podría estar en la misma fase, ya que tienen diferentes grupos de simetría.
¿No cuenta, digamos, la masa del electrón (o casi cualquier otra partícula) como un parámetro de orden que cambia de manera no analítica desde cero idéntico por encima de la temperatura crítica a distinto de cero por debajo de ella?
Solo está "rompiendo" simetrías de calibre, que no se pueden romper (solo se pueden aumentar), y no tiene parámetros de orden local.
¿Qué pasa con las masas de partículas masivas? Puede que no sean un "parámetro de pedido" en el sentido tradicional, pero son una cantidad medible localmente que le indica en qué fase se encuentra.
Para metro para ser un parámetro de orden, debe estar protegido por una simetría. La única simetría posible es la simetría quiral, pero en el SM esta simetría se mide.
Esto significa, por ejemplo, que el electrón tiene una masa de apantallamiento en el plasma EW, que evoluciona continuamente hacia la masa en la fase rota.
Esto parece contradecir, por ejemplo, physics.stackexchange.com/questions/5914/… , que propone H H como parámetro de orden.
@innisfree H H no es un parámetro de pedido. No rompe una simetría, y es distinto de cero incluso en la fase simétrica (debido a las fluctuaciones cuánticas).

Mientras las personas abordan la pregunta principal ("¿Rotura de simetría espontánea electrodébil, una verdadera transición de fase de primer orden?"), Permítanme decir algo sobre las preguntas secundarias.

3 - "¿Es concebible que el campo escalar isoespinor (campo de Higgs), pudiera haber presentado dos mínimos globales diferentes, uno con VEV cero y otro con VEV distinto de cero?"

Bajo ciertas condiciones, el sector electrodébil SM tiene un segundo mínimo, pero no está en cero VEV, está en un valor de campo mucho mayor distinto de cero. El VEV cero solo ocurre a temperaturas tan ultra altas que el campo de Higgs no tiene oportunidad de encontrar su mínimo.

4-5 - Lo reformularé así: si tuviera dominios adyacentes que estuvieran en diferentes fases y con diferentes espectros de partículas, ¿podrían interactuar las partículas de los diferentes dominios y cómo lo harían?

En una teoría con una estructura de fase más complicada que el modelo estándar y con paredes de dominio estables, es posible que las excitaciones en la pared del dominio sirvan como interfaz entre la física de los dos dominios.

Sin embargo, el modelo estándar no parece tener ese tipo de estructura de fases. Se dice aquí (gracias a "king vitamin" de physicsforums.com por esta referencia), página 52, que en el modelo estándar mínimo único, simplemente no obtienes muros de dominio; y mientras tanto , en el régimen donde el modelo estándar tiene un segundo mínimo verdadero a escalas muy altas, las paredes de dominio resultantes simplemente decaen rápidamente.

En la física de la materia condensada, las transiciones de fase de primer orden permiten que ambas fases coexistan en todas partes siempre que la energía libre tenga dos mínimos globales iguales. La nucleación y expansión de la burbuja comienza cuando uno de ellos se convierte en mínimo local y el otro en global. Me pregunto qué hubiera pasado si la primera situación (dos mínimos globales) hubiera durado mucho tiempo.

Tengo entendido que la cuestión de si la transición electrodébil fue de primer o segundo orden no está completamente resuelta, pero la evidencia actualmente parece indicar que fue débilmente de primer orden: https://journals.aps.org/prd/ resumen/10.1103/PhysRevD.45.2933 . En este caso, presumiblemente, habría existido una coexistencia de fases en diferentes regiones del espacio durante un período de tiempo muy corto a medida que el universo se enfriaba a la temperatura crítica. Pregunté sobre la fenomenología de este proceso en ¿Cómo se veía realmente la ruptura de simetría electrodébil? , pero no recibió ninguna respuesta.

Editar : Aparentemente, esta respuesta probablemente sea incorrecta. Solo lo dejo porque creo que hay una discusión interesante en los comentarios.

Creo que tus referencias están desactualizadas. A la luz de metro h 125 GeV y por lo tanto λ y mediciones precisas de metro t y, por lo tanto, el Yukawa superior, creo que se cree que SM EWSB es una transición de fase de segundo orden.
@innisfree Si tiene una referencia, estoy feliz de cambiar mi respuesta
Véase, por ejemplo, la tabla 1 en arxiv.org/pdf/1206.2942.pdf y sus referencias. Una transición de primer orden requiere metro h 80 GeV , por lo que se sabe que no puede ser de primer orden desde LEP por lo menos (2000 más o menos).
Creo que su árbitro estaba asumiendo un bosón de Higgs bastante ligero, 60 GeV se mencionan en las cifras.
@innisfree Interesante, gracias. ¿Entiende lo que quieren decir con "transición cruzada" en su declaración "El comportamiento de escala de χ con volumen de red se puede usar para determinar si la transición [electrodébil] es de primer orden, segundo orden o cruzada. Para METRO h METRO h C 75 GeV, como lo implican las búsquedas del colisionador para el Higgs, la transición parece ser una transición cruzada" en la parte inferior de la página 11?
No. Siempre pensé que cruce y segundo orden significaban lo mismo, pero en ese texto dicen 'Las características de esta transición que son más relevantes para EWBG son (a) su carácter (primer orden, segundo orden, cruce encima)'
@innisfree Siempre pensé que una "transición cruzada" no se refería a una verdadera transición de fase, sino simplemente a la longitud de correlación de una cantidad (o exponente de decaimiento en el caso de una ley de potencia) que cruza la de otra y, por lo tanto, (aproximadamente) se vuelve más importante para cualitativamente describiendo la física de un sistema, pero sin ninguna falta de analiticidad real en ninguna parte. Pero eso no puede ser lo que quieren decir los autores, porque tales transiciones suaves (sin fase) no pueden romper ninguna simetría, y la transición electrodébil ciertamente debería calificar como una transición de fase.