Wikipedysta:Łucja/Brudnopis

Teoria Standardowa jest to kwantowa teoria pola z cechowaniem unifikująca oddziaływania elektromagnetyczne i słabe.

[edytuj] Opis

Zasadnicza struktura Teorii Standardowej jest określona przez jej grupę symetrii cechowania SU(3)× SU(2)× U(1) oraz spontaniczne narusznie podgrupy symetrii elektrosłabej SU(2)× U(1) połączone z tzw. mechanizmem Higgsa. Struktura ta została na poziomie kwantowym potwierdzona przez precyzyjne pomiary zderzeń $e + e -$ przy energiach 90-200 GeV (w układzie środka masy) w akceleratorze LEP w CERN-ie oraz wielu innych doświadczeniach.

Zebrane dane wciąż jednak nie dają odpowiedzi na pytanie o sam mechanizm naruszenia symetrii SU(2)× U(1). Nie testują one również bezpośrednio tej części teorii, która jest odpowiedzialna za nadawanie mas fermionom i strukturę zapachową oddziaływań słabych. Najprostsza wersja Teorii Standardowej, czyli tzw. Model Standardowy, wykorzystuje do złamania symetrii elektrosłabej jeden dublet zespolonych pól skalarnych (dublet Higgsa), którego jedna ze składowych ma niezerową próżniową wartość oczekiwaną (w skrócie VEV, od ang. Vacuum Expectation Value). W istocie jednak mechanizm naruszenia symetrii SU(2)× U(1) mógłby być zupełnie inny (lub też opis łamania symetrii przez dublet Higgsa może być tylko opisem efektywnym innego mechanizmu w jakiejś bardziej podstawowej teorii).

W Teorii Standardowej większność procesów słabych jest spowodowana wymianą naładowanych bozonów $W^\pm$ --- stąd zmiana ładunku kwarków --- lub wymianą neutralnego bozonu $Z 0$ . Struktura teorii (która zostanie przypomniana w rozdziale \rref{SM}) jest taka, że każdy z kwarków emitujących lub absorbujących $W^\pm$ może przejść z bardzo różnymi amplitudami prawdopodobieństwa w każdy z trzech kwarków o odpowiednim ładunku. Zestaw tych 9 amplitud tworzy unitarną (ze względu na warunek zachowania prawdopodobieństwa) macierz Cabibbo-Kobayashi-Maskawy (tzw. macierz CKM). W Modelu Standardowym macierz ta koduje w sobie całą nietrywialną strukturę zapachową oddziaływań słabych, gdyż analogiczne punktowe sprzężenie kwarku do neutralnego bozonu $Z 0$ nie prowadzi do zmiany zapach kwarku. Ponieważ $W^\pm$ i $Z 0$ są bozonami o spinie 1, sprzęgające się do nich biliniowe kombinacje pól kwarków tworzą tzw. wektorowe prądy słabe. Mikroskopowy obraz oddziaływań słabych w Modelu Standardowym jest zatem taki, że procesy ze zmianą ładunku są generowane na poziomie drzewowym przez wymiany bozonu $W^\pm$ między kwarkowymi i/lub leptonowymi wektorowymi prądami naładowanymi. Natomiast procesy, w których zmianie ulega tylko zapach kwarków, a nie ich ładunek, takie jak rozpad $B\rightarrow X_s \gamma$ , są wynikiem kwantowych poprawek promienistych generujących zmieniające zapach sprzężenia kwarków do $Z 0$ i/lub fotonu, tzn. generujących wektorowe (lub w przypadku sprzężenia do fotonu tensorowe) prądy neutralne zmieniające zapach. Zmiana zapachu kwarków w prądach neutralnych jest więc w Modelu Standardowym wynikiem zmieniających zapach sprzężeń wirtualnych bozonów $W^\pm$ w poprawkach promienistych. Tak więc w Modelu Standardowym unitarna macierz CKM jest jedynym źródłem łamania symetrii zapachowej oraz - jeśli jest ona zespolona - także parzystości kombinowanej CP. Dodatkowo, struktura teorii jest taka, że w granicy równych mas wszystkich kwarków pojawia się dodatkowa globalna zapachowa symetria $[U(3)]^5=[SU(3)]^3_q\times[SU(3)]^2_l \times[U(1)]^5$ lagranżjanu, która zabrania przejść ze zmianą zapachu bez zmiany ładunku (w granicy, w której symetria ta jest ścisła, kwarki o tym samym ładunku przestają być odróżnialne i odpowiednie przedefiniowanie ich pól pozwala zredukować macierz CKM do macierzy jednostkowej). Amplitudy procesów powodowanych przez FCNC są z tego powodu dodatkowo tłumione przez różnice kwadratów mas kwarków (dzielone przez kwadrat masy bozonu $W^\pm$ ) lub przez logarytmy stosunków mas kwarków, czyli przez tzw. mechanizm Glashowa, Iliopoulusa i Maianiego (mechanizm GIM).

Testowanie struktury zapachowej Teorii Standardowej można podzielić na dwie części: badanie procesów uwarunkowanych wymianą bozonu $W^\pm$ na poziomie drzewowym oraz badanie procesów generowanych przez poprawki radiacyjne. Pierwszy typ procesów w zasadzie pozwala wyznaczyć prawie wszystkie elementy macierzy CKM (w praktyce tylko niektóre). Drugi typ procesów testuje kwantową strukturę teorii oddziaływań słabych i potencjalnie może dostarczyć informacji o tzw. \zargon{nowej fizyce}. Mianem \zargon{nowej fizyki} określa się oddziaływania kwarków i leptonów (a także bozonów $W^\pm$ i $Z 0$ ) z nowymi cząstkami, których istnienie przewidywane jest przez modyfikacje (rozszerzenia) Modelu Standardowego i które mogą wnosić dodatkowe przyczynki do generowanych przez poprawki pętlowe FCNC lub też powodować występowanie FCNC na poziomie drzewowym.

Oczywiste jest, że procesy generowane przez poprawki radiacyjne są rzadsze (tzn. mają mniejsze amplitudy prawdopodobieństwa) i przez to są trudniejsze do badania doświadczalnego. Przykładowo, rozpad $B\rightarrow X_s\gamma$ zdarza się raz na około 30 tysięcy rozpadów mezonu B i po raz pierwszy został zarejestrowany dopiero w roku 1995. Drugą trudnością w testowaniu struktury zapachowej Teorii Standardowej jest fakt, że kwarki oddziałują silnie. Wskutek tego istotne stają się oddziaływania silne, zarówno krótkozasięgowe jak też i długozasięgowe, prowadzące do wiązania się kwarków w rejestrowane w doświadczeniach hadrony. Efekty silnych oddziaływań pierwszego typu przy odpowiednim nakładzie pracy można uwzględnić stosując rachunek zaburzeń. Są one często bardzo istotne --- przykładowo, zmieniają one szerokość wspomnianego wcześniej rozpadu $B \rightarrow X_s \gamma$ o około 50\%. Efekty związane z długozasięgowymi silnymi oddziaływaniami kwarków uwzględnia się stosując różne techniki fenomenologiczne lub też za pomocą rachunków sieciowych. Jednak zawsze stanowią one źródło sporych niepewności, jakimi obarczone są przewidywania Teorii Standardowej dla procesów słabych, w których uczestniczą hadrony.

Jak dotąd (nie licząc wyników takich, jak pomiar asymetrii CP w rozpadzie $B \rightarrow \phi K_S$ , których status doświadczalny nie jest do końca pewny) wszystkie dane w granicach błędów doświadczalnych i niepewności teoretycznych są zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego. Istnieją jednak procesy takie jak np. rozpad neutralnych mezonów $B^0_s$ i $B^0_d$ na dwa leptony, których częstość zachodzenia przewidywana przez Model Standardowy jest wciąż o dwa-trzy rzędy wielkości mniejsza niż aktualna czułość eksperymentalna. W takich procesach przyczynki od \zargon{nowej fizyki} mogą wciąż być duże. W niektórych wielkościach, takich jak na przykład parametr $\varepsilon'\over \varepsilon$ , mierzący bezpośrednie łamanie CP w rozpadach kaonów, przyczynki od nowej fizyki mogą być maskowane przez wspomniane wcześniej niepewności w teoretycznym oszacowaniu efektów oddziaływań silnych. Ponadto niektóre elementy macierzy CKM daje się wyznaczyć tylko dzięki pomiarom procesów rzadkich i ewentualne przyczynki od nowej fizyki do amplitud tych procesów mogą zmienić przewidywania dla innych procesów zależnych od tych elementów macierzy CKM.