¿Por qué decimos que hay cuatro fuerzas fundamentales en el modelo estándar (si se incluye la gravedad)? [duplicar]

Este es uno de mis temas favoritos, por lo que agregaré algunas aclaraciones sobre lo que realmente queremos decir cuando decimos que las fuerzas EM y débiles están "unificadas".

En el modelo estándar de la física de partículas, que es parte de la base de nuestra comprensión actual de la naturaleza, hay tres campos de fuerza distintos (los físicos los llaman campos de calibre ).

• Uno corresponde a la fuerza fuerte que une a los quarks en protones y neutrones. En la literatura técnica, este a veces se denota$SU(3)$.
• Los otros dos campos de indicador son los relevantes para su pregunta. En la literatura técnica, estos dos campos de calibre se describen mediante los símbolos crípticos$SU(2)_L$y$U(1)_Y$, respectivamente, y no trataré de inventar mejores nombres para ellos aquí. El punto importante es que la familiar fuerza EM es una mezcla especial de$SU(2)_L$y$U(1)_Y$, y el resto (una mezcla diferente) es lo que llamamos la fuerza débil .

En el modelo estándar, cada uno de estos tres campos de fuerza, a saber$SU(3)$,$SU(2)_L$, y$U(1)_Y$, se acoplan a la materia con una fuerza diferente a las demás. Por eso se les considera tres campos distintos, no unificados en el sentido más estricto. Sin embargo, como se indica en la respuesta más concisa de Aaron Stevens, a temperaturas lo suficientemente bajas (lo que hoy llamaríamos temperaturas "normales") el famoso campo de Higgs provoca la$SU(2)_L$y$U(1)_Y$campos de calibre se mezclen entre sí, dando como resultado dos mezclas diferentes que experimentamos como la fuerza electromagnética de largo alcance y la fuerza débil de muy corto alcance.

El objetivo de este largo monólogo es aclarar qué significa realmente "unificado" en este contexto. La EM y las fuerzas débiles son dos mezclas diferentes de las más fundamentales.$SU(2)_L$y$U(1)_Y$los campos. Así que todavía hay cuatro campos de fuerza fundamentales en nuestra comprensión actual de la física moderna: la fuerza fuerte$SU(3)$, el llamado$SU(2)_L$, el llamado$U(1)_Y$y la gravedad. (El modelo estándar de física de partículas no incluye la gravedad).

Por otro lado, tenemos razones teóricas indirectas para sospechar que$SU(3)$,$SU(2)_L$, y$U(1)_Y$realmente están unificados en el sentido estricto de ser diferentes partes de un solo campo con una sola fuerza de acoplamiento a la materia. Todavía no sabemos exactamente cómo implementar teóricamente esta forma estricta de unificación. Incluso si la idea es correcta, esta mayor simetría solo sería evidente a temperaturas aún más altas que las que necesitaríamos para "des-mezclar".$SU(2)_L$y$U(1)_Y$.

Diría que es por la historia, ya que cada una de las cuatro fuerzas se descubrió como fuerzas separadas.

También diré que se debe a cómo los experimentamos hoy. Actualmente son cuatro fuerzas separadas. Se unifican a energías/temperaturas muy grandes, que estuvieron presentes muy poco tiempo después del Big Bang. Pero una vez que el universo se enfrió, la fuerza electrodébil se dividió en dos fuerzas.

Mouseover: "De estas cuatro fuerzas, hay una que realmente no entendemos". "¿Es la fuerza débil o la fuerte--" "Es la gravedad".

El cómic xkcd anterior está disponible bajo una licencia creative commons.

Tenga en cuenta que decir que hay cuatro fuerzas fundamentales es básicamente una herramienta heurística para ayudar a enseñar una realidad complicada. Una de las muchas formas razonables de definir una fuerza operativamente con el fin de contar cuántas fuerzas fundamentales hay en las descripciones de la ciencia del nivel del profano es definir una fuerza como una que cuenta como separada si está asociada con un tipo particular de bosón de calibre que se acopla a un tipo particular de carga.

Vía Wikipedia

Por lo tanto, tenemos: (1) la fuerza electromagnética asociada con los fotones que se acoplan a la carga eléctrica, (2) la fuerza débil asociada con los bosones masivos W y Z que se acoplan con el isospín débil y (3) la fuerza fuerte asociada con los gluones qué pareja a la carga de color. Y, muchas teorías de la gravedad cuántica asocian (4) la gravedad con un bosón de calibre hipotético conocido como gravitón que se acopla a una carga igual a la masa-energía total de una partícula.

Aunque se puede hablar de una interacción electrodébil que tiene una fuente común en teoría, fenomenológicamente, es fácil distinguir entre el componente fuerte, de largo alcance, mediado por fotones de esa interacción, y el componente débil, de corto alcance, mediado por bosones W y Z. esa interacción.

Esta definición, por ejemplo, trata naturalmente la fuerza eléctrica y el magnetismo como unificados (porque ambos involucran interacciones de partículas cargadas eléctricamente a través de fotones), mientras que trata a las fuerzas que comúnmente se consideran separadas como separadas.

Esta definición también funciona para la fuerza débil, porque si bien tiene tres tipos de bosones de norma (el W+, el W- y el Z), los tres se acoplan a la misma "carga" (es decir, isospin débil) con la misma constante de acoplamiento, y también son similares en que todos son masivos y de corta duración.

De hecho, el punto más difícil para la mayoría de la gente es realmente explicar por qué los bosones W son bosones de calibre cuyas interacciones cuentan como fuerzas, a pesar de que estas interacciones son muy diferentes del paradigma de las interacciones mediadas por fotones/gluones/gravitones sin masa, que se parecen mucho más a lo que intuitivamente pensamos como fuerzas (con el giro de que los gluones y los gravitones, a diferencia de los fotones, interactúan entre sí, así como con los fermiones debidamente cargados). Pero su pregunta indica que no está luchando con esa pregunta y, matemáticamente, la interacción débil se parece mucho a las otras fuerzas del modelo estándar.

Otras preguntas y respuestas han abordado por qué el bosón de Higgs no es un bosón de calibre, y el campo de Higgs no cuenta como una fuerza, aunque este es un bosón fundamental y un campo fundamental del modelo estándar (que se acopla en proporción a un masa en reposo de la partícula fundamental).

Algún día podría haber más o menos de cuatro fuerzas fundamentales

Podríamos descubrir fuerzas fundamentales adicionales algún día, pero hasta ahora no hemos encontrado evidencia convincente de que existan. Muchas teorías más allá del Modelo Estándar proponen fuerzas fundamentales adicionales (por ejemplo, una nueva fuerza que sólo se acopla a la materia oscura mediada por un " fotón oscuro " masivo ).

También podría ser necesario un nuevo campo y/o bosón, incluso si no es una fuerza, para explicar las masas de los neutrinos , que no se ajustan bien al mecanismo del modelo estándar de Higgs y actualmente no se entienden bien. Las masas de neutrinos son la única extensión significativa que ha visto el modelo estándar desde que se formuló.

Por otra parte, también podríamos, por ejemplo, descubrir que la gravedad emerge de una o más de las fuerzas del modelo estándar, o que todas las fuerzas del modelo estándar tienen una fuente común en alguna teoría más profunda (como un GUT o un TOE ), reduciendo así el número de fuerzas verdaderamente fundamentales.

Una nota al pie histórica

La historia también juega un papel.

La gravedad fue formulada como fuerza, con una forma que las ecuaciones de Maxwell imitarían tres siglos más tarde, en 1687 por Newton, y al hacerlo unificó la fuerza que gobierna el movimiento de los planetas y la fuerza que hace que los objetos caigan al suelo. Su extensión relativista general fue propuesta por Einstein en 1915, hace más de un siglo. Irónicamente, a pesar de ser la más antigua de las fuerzas fundamentales formuladas matemáticamente, hoy en día la entendemos menos que las tres fuerzas fundamentales del modelo estándar. Es la única fuerza para la que no tenemos una formulación cuántica viable, a pesar de que hemos llegado tentadoramente cerca de hacerlo hasta el punto en que podemos describir las propiedades de un gravitón hipotético casi por completo, pero no podemos calcular con esta teoría.

La investigación científica de la electricidad y el magnetismo estaba muy avanzada en el siglo XVII, la unificación de la electricidad y el magnetismo comenzaba a surgir en el siglo XVIII y se perfeccionó en las décadas siguientes, Maxwell unificó la óptica y el electromagnetismo en la década de 1860, Maxwell y Heaviside había formulado completamente las ecuaciones del electromagnetismo clásico de Maxwell a fines del siglo XIX, Einstein propuso la existencia del fotón en 1905, lo que fue confirmado en la década de 1920, y la electrodinámica cuántica (la versión cuántica del electromagnetismo) se desarrolló a partir de la década de 1920 y se completó antes de la década de 1920 . Premio Nobel fue otorgado por su descubrimiento en 1965.

La descomposición beta (que es causada por la interacción débil ) no se descubrió hasta 1896 y ni siquiera se concibió como una fuerza hasta que Fermi presentó una descripción (inexacta) de ella como una fuerza de contacto en 1933. Una descripción precisa de la fuerza débil como parte de una interacción electrodébil integral no se ideó hasta 1968, y no se confirmó directamente la existencia de los bosones W y Z hasta 1983. Dado que este fenómeno distintivo se unificó teóricamente con el electromagnetismo hace solo 50 años, es como era de esperar, se trata como algo diferente del electromagnetismo a pesar de que está íntimamente relacionado con él.

Mientras tanto, la fuerza fuerte no se entendió de manera significativa hasta la década de 1970. Los gluones no se formularon como hipótesis hasta 1962, la carga de color no se formuló realmente como un concepto hasta 1973, y el modelo quark-gluon no se confirmó experimentalmente hasta que se realizaron los experimentos que lo confirmaron en 1978 (el mismo año en que el término "quark" fue acuñado ) y 1979. No se confirmó experimentalmente la existencia del último de los quarks en ser descubierto (el quark top) hasta 1995.

Los conceptos de bosón de Higgs y campo de Higgs se propusieron entre 1960 y 1972 y se confirmaron experimentalmente en 2012.

En primer lugar, hablemos de la unificación de dos fuerzas: la fuerza electromagnética y la fuerza débil.

Antes de la unificación, no sabíamos que eran una sola cosa. Dado que también existimos después del big bang, observamos dos fuerzas: la fuerza electromagnética y la fuerza débil en lugar de la fuerza electrodébil, que son como las células hijas de la célula madre: electrodébil fuerza

Como ha mencionado @Aaron Stevens, es debido a la historia que tenemos cuatro fuerzas. Si la gente encuentra lo que llaman Teoría del todo, entonces podrías decir que todo es una cosa , pero aún estarías estudiando que hay cuatro fuerzas fundamentales.

Las respuestas cubren la razón histórica de las fuerzas fundamentales. Quisiera aclarar lo siguiente.

En el marco de los modelos teóricos de campo para datos de física de partículas, donde se afirman cuatro fuerzas fundamentales , la mayoría de los cálculos de los modelos teóricos (que se describen en las otras respuestas) para comparar con los datos se realizan mediante el uso de Feynman . diagramas .

En esta representación icónica de las integrales a calcular, cada vértice intercambia partículas virtuales, transfiriendo una fuerza, dp/dt, y cualquier partícula virtual transmite una fuerza.

Por ejemplo, la aniquilación de positrones de electrones ocurre cuando el electrón virtual transfiere la fuerza. Sin embargo, el portador fundamental de la fuerza, para separarlo de todas las demás posibilidades, es el primero, que intercambia un fotón. Los fotones, gluones y W y Z son los bosones de medida y definen los intercambios de primer orden que caracterizan las interacciones en el modelo estándar de física de partículas SU(3)xSU(2)xU(1). .

Estos bosones de calibre son inherentes a la formulación matemática de la teoría y la caracterizan, en correspondencia uno a uno con las fuerzas fundamentales. Por eso fue importante el descubrimiento de la Z y la W, que confirmaron este modelo matemático tanto como el descubrimiento del Higgs posterior. Puede que surjan otras teorías de gauge en el futuro que tendrán sus propios bosones de gauge y, por lo tanto, aumentarán las fuerzas fundamentales, pero es un juego de espera para los datos. Por eso se postula el gravitón, es el bosón gauge de la gravedad, una vez cuantificada definitivamente (y no efectivamente) la gravedad.