Technicolor (física)

Les teories Technicolor són models de física més allà del Model Estàndar que nos duen a la ruptura de la simetria electrodébil, el mecanisme pel qual les partícules elementals adquirixen massa. Les primeres teories technicolor es varen basar en la cromodinámica quàntica (QCD en anglés), la teoria de el "color", que va inspirar el seu nom.

En lloc d'introduir els elementals bosones de Higgs, el model technicolor trenca en la simetria electrodébil i crea masses per als bosones W i Z per mig de la dinàmica d'una nova interacció de gauge. Encara que asintóticamente lliures a molt altes energies, estes interaccions deuen convertir-se en fortes i confinantes (i per tant inobservables) a baixes energies que s'han usat per a experimentar. Esta aproximació dinàmica és natural i no sofrix el problema de jerarquia del model estàndar.

Per a produir quarks i leptonés en massa, el technicolor deu ser "estés" afegint més interaccions de gauge. Particularment quan es basa en la cromodinámica quàntica, el technicolor estés pot ser provat en restriccions experimentals en corrent neutral de canvi de sabor i en medides electrodébiles de precisió.

La majoria de l'investigació technicolor se centra en explorar les teories gauge d'interacció-forta més que la cromodinámica quàntica, la qual evita alguns d'estos problemes, pero sobre lo que es coneix relativament poc. Un marc particularment actiu és el technicolor "caminante", que mostra un comportament casi-conforme a causa d'un punt fix infrarrojo en força just per damunt de la necessària per a tindre ruptura espontànea de la simetria quiral. S'està estudiant en simulacions enreixat no-perturbativa si el technicolor "caminante" pot produir-se i dur a un acort en mides de precisió electrodébiles.

S'espera que els experiments en el Gran Colisionador de Hadrones descobrixquen el mecanisme responsable de la ruptura de la simetria electrodébil, i seria determinant per a determinar si el marc del technicolor dona la correcta descripció de la naturalea.

Introducció

Encara es desconeix el mecanisme de ruptura de la simetria de gauge electrodébil en el model estàndar de partícules elementals. La ruptura deu ser espontànea, lo que significa que la teoria subjacent manifesta exactament la simetria (els camps de bosones-gauge no tenen massa en les equacions de moviment), pero les solucions (l'estat del punt zero i els estats excitats) no. En concret, els bosones de gauge W i Z es tornen supermasivos. Este fenomen, en el qual els bosones W i Z adquirixen també un estat extra de polarisació, se li crida el "Mecanisme de Higgs". A pesar de l'acort precís de la teoria electrodébil en experiments energies accessibles, els ingredients necessaris per a la ruptura de simetria permaneixen amagats, esperant ser descoberts a energies més altes.

El mecanisme més simple de ruptura de simetria electrodébil presenta un camp singular complex i prediu l'existència del Bosón de Higgs. Normalment, El bosón de Higgs és "no-natural" en el sentit que les fluctuacions de la mecànica quàntica produïxen correccions en la seua massa que la deixa a tan alts valors que no pot usar-se per al rol pel qual ha segut introduït. A menos que el model estàndar es vinga avall a energies d'una miqueta més d'uns pocs Tev, la massa de Higgs solament pot mantindre's chicoteta en un ajust molt delicat i precís dels paràmetros.

El technicolor evita este problema gràcies a l'hipòtesis d'una nova interacció de gauge acoplada a nous fermiones sense massa. Esta interacció és asintóticamente lliure a molt altes energies i es torna forta i confinante quan l'energia disminuïx a l'escala electrodébil d'una miqueta més de 250 GeV. Estes forces fortes acaben espontàneament en les simetria quirales dels fermiones sense més, alguns dels quals tenen un gauge dèbil com a part del model estàndar. Esta és la versió dinàmica del mecanisme de Higgs. La simetria de gauge electrodébil es veu per tant trencada, produint-se aixina massa per als bosones W i Z.

La nova interacció forta du a un àmbit de nova composició, partícules de curta vida accessibles a energies també accessibles per al Gran Colisionador de Hadrones (LHC en anglés). Este marc és natural perque no hi ha bosones de Higgs elementals i per tant, no es requerix un ajust fi de paràmetros. Les masses dels Quark i els leptones també trenquen les simetria de gauge electrodébiles, per lo que estos també deuen aparéixer espontàneament. Es coneix un mecanisme per a incorporar este fet, el technicolor estés. El technicolor i el technicolor estés s'enfronten a reptes fenomenológicos. Alguns d'ells poden abordar-se en una classe de teories com el technicolor "caminante".

El principi del technicolor

Technicolor és el nom que se li va donar a la teoria de la ruptura de simetria electrodébil per una nova interacció de gauge forta la característica escala de la qual d'energia Λ_TC és l'escala dèbil en sí mateixa, Λ_TC ≅ F_EW ≡ 246 GeV. El principi que guia al technicolor és la "naturalitat": un fenomen físic bàsic no deu necessitar d'ajust fi de paràmetros en la Lagrangiana que els descobrix. Lo que constituïx un ajust fi és en certs contexts un fet subjectiu, pero una teoria en partícules elementals escalares és normalment molt ajustada (a menos que siga supersimétrica). La divergència quadràtica en la massa dels escalares requerix ajusts d'una part en $𝒪(M_{\mathrm{b}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{e}}^2/M_{\mathrm{p}\mathrm{h}\mathrm{y}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{a}\mathrm{l}}^2)$, a on M_bare és la cota de la teoria, l'escala d'energia a la qual la teoria canvia d'una manera essencial. En el model estàndar electrodébil en M_bare ∼ 10¹⁵ GeV (l'escala de la gran unificació de massa), i en la massa del bosón de Higgs M_physical = 100–500 GeV, s'ajusta la massa a lo manco a una part en 10²⁵.

Per un atre costat, una teoria natural de ruptura de simetria electrodébil és una teoria de gauge asintóticamente lliure en fermiones com els únics camps de matèria. S'assumix que el grup de gaute technicolor G_TC és SU(N_TC). Basat en analogia en la cromodinámica quàntica (QCD en anglés), s'assumix que hi ha una o més parelles de "technifermiones" de Dirac sense massa transformant-se vectorialmente baix la mateixa representació complexa de G_TC, T_iL,R = (O_i,D_i)_L,R, i = 1,2, …,N_f/2. Aixina mateix, hi ha una simetria quiral d'estos fermiones, per eixemple, SU(N_f)_L ⊗ SU(N_f)_R, si tots es transformen d'acort en la mateixa representació complexa de G_TC. Continuant l'analogia en QCD, l'acoplament de gauge en funcionament α_TC(μ) comença la ruptura de la simetria quiral de forma espontànea, els technifermiones adquirixen una massa dinàmica, i apareixen un número de partícules sense massa, els bosones de Goldstone. Si els technifermiones es transformen baix [SU(2) ⊗ O(1)]_EW en parelles d'esquerres i singulars de dreta, hi ha tres combinacions llineals d'estos bosones de Glodstone acoplats a tres de corrents de gauge electrodébiles.

En 1973 Jackiw i Johnson and Cornwall and Norton varen estudiar la possibilitat de que una interacció de gauge (no-vectorial) de fermiones poguera trencar-se per sí mateixa; per eixemple, seria suficientment fort formar un bosón de Goldstone acoplat a una corrent de gauge. Usant models de gauge abelianos, varen demostrar que, si tal bosón es forma, el mecanisme de Higgs "li'l menja", convertint-se en la component llongitudinal de l'ara en massa bosón de gauge. Tècnicament, la funció de polarisació Π(p²) apareix en el propagador del bosón de gauge, Δ_μν = (p_μ p_ν/p² - g_μν)/[p²(1 Ð g² Π(p²))] desenrolla un pol en p² = 0 en reiduo F², el quadrat de la constant de decaiguda del bosón de Goldstone, i el bosón de gauge adquirix massa M ≅ g F. En 1973, Weinstein va demostrar que bosones de Goldstone composts que els seus fermiones constituents es transformen de manera "estàndart" baix SU(2) ⊗ O(1) generen les masses dèbils dels bosones.

$(1)M_{W^{\pm }}=\frac{1}{2}g{F}_{EW}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}{M}_Z=\frac{1}{2}\sqrt{g^2+g^{\prime 2}}{F}_{EW}\equiv \frac{M_W}{\cos {\theta }_W}.$

Esta relació del model estàndar es conseguix en bosones de Higgs elementals en doblets electrodébiles; està verificat experimentalment a més del 1%. Ací, g i g′ són acoplament gauge SU(2) i O(1) i tanθ_W = g′/g definix l'àngul de mescla dèbil.

L'important idea d'una nova interacció forta de gauge de fermiones sense massa en l'escala electrodébil F_EW que conduïxen a la ruptura espontànea de la seua simetria quiral, de la que un subgrup SU(2) ⊗ O(1) és de gauge dèbil, va ser proposta per primera volta en 1979 per S. Weinberg and L. Susskind. Este mecanisme "technicolor" és natural ya que no necessita ajust fi de paràmetros.