粒子物理的标准模型和大统一理论之间有什么区别?

时间:2021-07-19 09:16:02   作者:
标准模型由三个规范组SU(3)、SU(2)和U(1)组成。这些规范群所隐含的对称性约束了构成标准模型的基本粒子——费米子和玻色子的所有性质。规范不变性是量子场论(QFT)的一个基本组成部分,它是为每个规范群构建的。标准模型的基本成分是跨越整个宇宙并渗透其中的每一个时空点的量子场。每个基本粒子都是其独特量子场的量子化激发。这就是为什么宇宙中任何地方的电子在所有物理性质上都和其他电子是相同的。

例如U(1)规范不变理论被称为量子电动力学(QED)。这个理论由电子和光子组成。电子携带光子对的U(1)规范电荷。两个电子之间的相互作用是由光子介导的。光子是交换型U(1)规范群的规范玻色子。由于光子不携带规范电荷,两个光子不能相互作用,除非在高能量的虚电子和正电子对的介导下。电子的规范电荷或库仑电荷被量子化为一个整数,因为局部U(1)规范不变性也服从2旋转下的不变性约束。

粒子物理的标准模型和大统一理论之间有什么区别?

对于SU(2)规范不变性的QFT称为弱QFT。这是一个非交换规范群。这个理论解释了质子转化为中子的行为,反之亦然。这是衰变现象的根本原因。在弱理论中没有费米粒子。它只有三个规范场W+, W-, Z0 -,它们携带着被称为同位旋的弱力的规范电荷。因此,弱力规范场被称为自源。此外,在246gev的希格斯场出现一个非零真空期望值,自发地打破了SU(2)规范。所以弱力的规范场具有破碎的规范对称性因此,它们的质量非常大。这就是为什么这些场的范围非常小,只有几微米的量级。它只在核子内部起作用。

量子色动力学是另一种非交换规范SU(3)的QFT。它是夸克和胶子的理论。夸克携带SU(3)规范电荷,称为色电荷,作为规范场的来源。颜色电荷有3个品种,称为红色,绿色和蓝色。请记住,这些颜色与我们在日常生活中所习惯的颜色没有任何关系。由非交换规范玻色子(胶子)介导的强力在短距离减弱,在长距离增强。这导致夸克被限制在核子或任何其他强子内的一个非常小的体积中。这一体积的任何增加是被高能源成本所禁止的。重子的大部分质量来自夸克和胶子的限制。一个重子由3个夸克组成,因为重子的库仑电荷是e的整数倍,电子的库仑电荷。所以每个夸克的库仑电荷必须是e的一部分。在已知的6个夸克中,3个夸克的电荷是(+⅔)e,其他3个有1 / 3的电荷e。

大统一场论被称为GUT理论,是标准模型的3个规范组在单一SU(5)或SO(10)规范组下的统一理论。在这个理论中,除了夸克之外,弱场也带有颜色电荷。所以GUT中颜色电荷的总数是5 -红,蓝,绿,黄,白。最后两个是弱场的色电荷。在这个理论中,不同于标准模型,夸克可以转化为轻子,反之亦然。这种转变将表现为质子衰变为中性介子和正电子的形式。这样的衰变会违反重子数守恒和轻子守恒。这在标准模型中是被禁止的,但是一个超越标准模型的理论,如GUT,可能允许它。它已经被搜索了40多年,但至今没有任何成功。
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