目前来说是 Glashow–Weinberg–Salam 的电弱统一理论。它在低能下对称性发生破缺,就可以退化到量子电动力学(QED)。
这一理论对应的拉氏量为:
\mathcal{L}_\text{EW} = \bar{E}_L (i\gamma^\mu D_\mu) E_L + \bar{e}_R (i\gamma^\mu D_\mu) e_R - \frac14 W_{\mu\nu}^a W^{a,\mu\nu} - \frac14 B_{\mu\nu} B^{\mu\nu} \\ + (D_\mu\phi)^\dagger(D^\mu\phi) - \mu^2\phi^\dagger\phi - \lambda(\phi^\dagger\phi)^2 - y(\bar{E}_L\phi e_R + \bar{e}_R\phi^\dagger E_L)
式中,E_L=\begin{pmatrix}\nu_{e,L} \\ e^-_L \end{pmatrix} 为 SU(2) 双重态(对应 2 表示),e_R 为 SU(2) 单重态(对应 1 表示), e 和 \nu_e 就是电子和电子中微子,下标 L、R 表示左右手(实验未观测到左手中微子的存在); W_{\mu\nu}^a 和 B_{\mu\nu} 分别是 SU(2) 规范玻色子和 U(1) 超荷规范玻色子对应的场强; \phi 为 Higgs 玻色子。 D_\mu 是协变导数:
D_\mu = \partial_\mu - igW_\mu^a T^a - ig'B_\mu Y
这里 T^a 是 SU(2)_L 的表示矩阵(李代数生成元), Y 是超荷; g 和 g' 分别是对应的耦合常数。另外,简单起见,我们省略了夸克项,并且只考虑第一代轻子(即只有电子及其中微子)。
在能量极小值点附近展开 Higgs 场(取幺正规范):
\phi(x) = \begin{pmatrix} 0 \\ \frac{v+\eta(x)}{\sqrt2} \end{pmatrix}
经过一些计算,可以得到动能项:
\mathcal{L}_\text{kin} = -\frac14 F_{\mu\nu}F^{\mu\nu} - \frac14 Z_{\mu\nu}Z^{\mu\nu} + \frac12 m_Z^2 Z^\mu Z_\mu
其中 F_{\mu\nu}=\partial_\mu A_\nu-\partial_\nu A_\mu 和 Z_{\mu\nu}=\partial_\mu Z_\nu-\partial_\nu Z_\mu 分别为 光子 和 Z 玻色子对应的场强,且有
\begin{pmatrix} Z_\mu \\ A_\mu \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \cos\theta_W & -\sin\theta_W \\ \sin\theta_W & \cos\theta_W\end{pmatrix} \begin{pmatrix} W_\mu^3 \\ B_\mu \end{pmatrix}
式中的 \theta_W=\tan^{-1} \frac{g'}{g} 就是著名的 弱混合角 。
接下来处理协变导数。它现在可以写成
D_\mu = \partial_\mu - \frac{ig}{\sqrt2} \begin{pmatrix} & W_\mu^+ \\ W_\mu^- & \end{pmatrix} - \frac{i}{\sqrt{g^2+g'^2}} Z_\mu (g^2T^3 - g'^2Y) - ieA_\mu (T^3+Y)
这里 e=g'\cos\theta_W 即为 电荷 。此时在拉氏量就可以看到 QED 的相互作用项:
\mathcal{L}_\text{int} = i\bar{e}\gamma^\mu A_\mu e + \cdots
省略号为 W/Z 玻色子参与的相互作用。
最后是质量项。与上面类似,把 Higgs 场的展开形式代入拉氏量中的 Yukawa 项,得到
\mathcal{L}_\text{mass} = -m_e (\bar{e}_L e_R + \bar{e}_R e_L)
这里 m_e = \frac{vy}{\sqrt2} 即为 电子质量 。
这样,我们就从电弱统一理论经过对称性破缺得到了倍感亲切的 QED 拉氏量(为了防止混淆,这里把 Dirac 场从 e 换成了 \psi ):
\mathcal{L}_\text{QED} = \bar{\psi} (i\gamma^\mu D_\mu - m_e) \psi - \frac14 F_{\mu\nu} F^{\mu\nu}
式中的协变导数为 D_\mu = \partial_\mu-ieA_\mu 。利用变分法得到对 A_\mu 的 Euler–Lagrange 方程:
\partial_\mu F^{\mu\nu} = e\bar{\psi}\gamma^\nu\psi = eJ^\nu
显然,这就是 Maxwell 方程(的张量形式)。
参考