32.2. Структура бозонного сектора. В основе модели лежит гипотеза о существовании двух калибровочных полей. Одно из них (
) трехкомпонентно и отвечает присоединенному представлению группы
а второе (
) однокомпонентно и его калибровочная группа —
Таким образом, калибровочная группа модели Вайнберга — Салама — это полупростая группа
Она содержит два числовых параметра, обозначаемых
и
Четыре калибровочные векторные частицы необходимы для описания трех промежуточных (массивных) мезонов и фотона. Из четырех частиц две (компоненты
) заряжены и две (
и
) нейтральны. Поскольку поля
и
имеют одинаковые квантовые числа, между ними возможно смешивание. Физические нейтральные векторные частицы — фотон и массивный
-мезон оказываются суперпозициями полей
и
Чтобы сделать векторные мезоны массивными, используют механизм спонтанного нарушения симметрии (см. § 11.3), для чего вводят вспомогательное двухкомпонентное комплексное (четыре степени свободы) скалярное поле
Три степени свободы из четырех уходят на то, чтобы с помощью механизма Хиггса «создать» по лишнему поляризационному состоянию у трех векторных компонент, а четвертое приводит к физическому массивному бозону Хиггса.
Таким образом, бозонный сектор модели Вайнберга — Салама основывается на лагранжиане
Здесь
— тензор абелева поля
— тензор неабелева поля
поле
— изотопический (калибровочной группы
) дублет комплексных полей
— ковариантные производные:
Спонтанное нарушение симметрии реализуется сдвигом на действительную константу
второй компоненты поля
:
В результате сдвига член
дает следующий вклад в «массовую матрицу» (т. е. в члены, билинейные по компонентам
):
Диагонализация этого вклада выполняется линейным преобразованием
где
Вводя обозначения
запишем форму (7) в виде
Здесь в целях дальнейшего удобства введены новые взаимно комплексно-сопряженные поля для промежуточных заряженных мезонов (
в сегодняшней терминологии промежуточных бозонов. М.):
Если представить компоненты дублета
в виде
то последний член в (4) приводит к выражению
из которого явствует, что поле
имеет массу
а компоненты
представляют собой голдстоуновские поля. Они могут быть устранены калибровочным преобразованием, в результате которого три компоненты неабелева калибровочного поля приобретают лишнюю поляризационную компоненту (эффект Хиггса). В итоге последний член правой части (4) сведется к
32.3. Фермионный сектор. Как известно, слабое взаимодействие не сохраняет четность. Правополяризованное нейтрино на опыте не наблюдается. Поэтому структура фермионного сектора лептонов в первую очередь должна учесть эти свойства. С этой целью левополяризованная компонента электронного спинора
и электронное нейтрино
объединяются в «левый» дублет
а правополяризованная часть
образует «правый» синглет относительно группы
:
Аналогичные мультиплеты вводятся для мюона и мюонного нейтрино:
Такая структура мультиплетов удобна тем, что позволяет оставить в заряженных составляющих слабых токов лишь левые компоненты лептонов, объединенные в дублеты
Считая, что левые дублеты участвуют в калибровочном взаимодействии группы
а правые связаны лишь с абелевой подгруппой, приходим к следующим членам в лагранжиане:
Здесь мы опустили нижние индексы (ц) и (v), подразумевая, что по ним необходимо произвести независимое суммирование.
Прямое введение массовых членов для лептонов
нарушает калибровочную инвариантность. Однако если предположить, что мультиплеты
и
подобно калибровочным полям
и
взаимодействуют со скалярным полем
введенным в (4), то они приобретут массу в результате спонтанного нарушения симметрии.
Полагая, что соответствующий член взаимодеиствия имеет юкавскую форму
получаем, что в результате «сдвига» (6) поля
на константу в лагранжиане появляются массовые лептонные члены
причем
Таким образом, полное выражение для лептонной части лагранжиана, основанное на слагаемых (15), (16) и записанное в переменных
будет иметь вид
где
получается из
заменой
и
— свободный лагранжиан полей
:
Из формулы (19) вытекает, что константы электромагнитного взаимодействия
и слабого взаимодействия в форме Ферми
связаны с
и
формулами (1).
Напомним еще, что масса хиггсова бозона та выражается через параметры лагранжиана формулой (12).