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/ NetNews Usenet Archive 1992 #27 / NN_1992_27.iso / spool / sci / physics / 19413 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-11-22  |  9.5 KB

  1. Path: sparky!uunet!zaphod.mps.ohio-state.edu!uwm.edu!ogicse!das-news.harvard.edu!husc-news.harvard.edu!husc8!mcirvin
  2. From: mcirvin@husc8.harvard.edu (Mcirvin)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: Technicolor, etc. (was Re: Detecting crackpots - for laymen?)
  5. Message-ID: <mcirvin.722461933@husc8>
  6. Date: 22 Nov 92 19:52:13 GMT
  7. Article-I.D.: husc8.mcirvin.722461933
  8. References: <1992Nov17.231944.13221@meteor.wi> <1541700008@gn.apc.org>
  9. Lines: 160
  10. Nntp-Posting-Host: husc8.harvard.edu
  11.  
  12. antennae@gn.apc.org writes:
  13.  
  14. >Dear Scott, please don't say things like "technipions".  English *is*
  15. >something I know about (I have made my living from writing ever since
  16. >leaving Cambridge in the mid seventies).  If you really want to reach
  17. >laymen, it might be a good idea to translate as much physics as you
  18. >can into simple lay language.  
  19.  
  20. I'm afraid that was a physicist-to-physicist comment, maximized for
  21. brevity rather than accessibility.  Translating technipions into lay
  22. language would take several paragraphs, and the intended audience
  23. would hit 'n.'  Nevertheless, I find the whole subject sufficiently
  24. fascinating that I'm willing to make the explanatory remarks:
  25.  
  26. When you concoct a theory in particle physics, what that generally
  27. means is that you postulate a number of fields, whose quanta are
  28. going to be the particles of the theory; then you write down a
  29. function called a Lagrangian.  This is a sum of various products and
  30. products of derivatives of the fields, and it determines what the
  31. particles can do.  If you multiply some fields together in one of
  32. the terms, you make an interaction between the corresponding particles;
  33. some derivative terms grant the particles the ability to carry kinetic
  34. energy, and if there's a term in which a field is (roughly) squared,
  35. that term gives the particle mass.  You can tell a lot about a theory
  36. just by looking at the terms in the Lagrangian.  How the properties of
  37. the particles emerge from the Lagrangian is a long story which isn't
  38. necessary here.
  39.  
  40. Now, these Lagrangians can possess *symmetries.*  This means that you
  41. can do something to the fields-- multiply them by a number, rotate them
  42. in some abstract vector space, or some such thing-- and the Lagrangian
  43. won't change, since it's constructed so that all the changes cancel each
  44. other out.  There are global symmetries, where you have to perform the
  45. same operation on the fields everywhere in spacetime, and there are local
  46. or "gauge" symmetries, where you can do something independent at every
  47. different point (perhaps subject to some smoothness requirements).  It
  48. turns out that to put gauge symmetries into the Lagrangian you have to
  49. introduce extra fields-- and, marvelously, the fields responsible for
  50. the basic forces of nature seem to be just of this variety.  The strong,
  51. weak, and electromagnetic interactions all follow from gauge symmetries, and
  52. in a looser sense gravity seems to as well.
  53.  
  54. But there's a complication.  The gauge fields that you get from this
  55. process are massless; the quanta have no rest mass.  And for a theory
  56. of weak interactions to work, the quanta have to be rather massive--
  57. eighty or ninety times as massive as a proton.  Also, the usual variety
  58. of mass term for matter particles, like quarks and electrons, seems to
  59. break the gauge symmetry, so you can't have that sort of mass term in
  60. such a theory (I'm sweeping details under the rug; suffice it to say that
  61. the symmetry needs to be absolutely obeyed in the Lagrangian for certain
  62. kinds of mathematical consistency to be maintained).
  63.  
  64. So the gauge theory for the weak-interaction part of the theory seems
  65. doomed by this requirement of establishing mass terms for both the
  66. gauge particles and the matter particles.
  67.  
  68. The disease is not so fata, however:  there is a way of having your
  69. cake and eating it too, which is called spontaneous symmetry breaking.
  70. In spontaneous symmetry breaking, the world we see at low energies doesn't
  71. obey the symmetry, but the Lagrangian still does.  So physics could behave
  72. effectively as if there were these mass terms, without actually requiring
  73. any mass terms in the Lagrangian.
  74.  
  75. Imagine (to use a favorite metaphor of people describing SSB) a Mexican
  76. sombrero.  The hat is symmetric about its central axis; rotate it and it
  77. looks the same.  Now put a marble on the hat and let it roll around freely.
  78. In the marble's lowest-energy state, it's rolling in the trough formed by
  79. the hat's brim.  The marble's state is *not* rotationally symmetric; it's
  80. at some specific angle measured from the center.  Though the dynamics of
  81. the system, as determined by the surface of the hat, is rotationally 
  82. symmetric, the marble's "ground state" is not.  On the other hand, the
  83. marble can roll around in the brim without gaining potential energy; there's
  84. a direction of motion that involves no climb up a hill in potential energy.
  85.  
  86. It turns out that something similar can be established in a quantum field
  87. theory:  a "sombrero-hat" potential at every point in spacetime, produced
  88. by a couple of terms in the Lagrangian.  The "hat" is in an abstract vector
  89. space of fields.  The middle of the hat corresponds to no field at all;
  90. but the lowest-energy state, what we call the vacuum, is like the marble in
  91. the hat's brim, with a field pervading space that has a specific "angle" in
  92. this abstract space.  The symmetry is spontaneously broken.  The degree
  93. of freedom corresponding to radial motion on the sombrero corresponds to
  94. a massive particle, and the "flat" direction along the brim corresponds to
  95. a massless particle called a Goldstone boson.
  96.  
  97. Now, something interesting happens when the symmetry that is spontaneously
  98. broken corresponds to part of a gauge symmetry.  There's no Goldstone boson
  99. any more-- instead, you can see by rearranging the formula that the gauge
  100. boson becomes massive, just like we wanted!  By putting in other couplings
  101. to the field that does the symmetry breaking, you can make the matter
  102. particles massive as well.
  103.  
  104. This is the purpose of the Higgs particle in the standard model; it
  105. lives in a sombrero-like potential (roughly), and it conveys mass to the
  106. W and Z particles and to the quarks and the electron, muon and tauon
  107. via interactions.  
  108.  
  109. But the only reason the Higgs particle is put into the theory the way it
  110. is is that it's the simplest way to get the right results.  It's somewhat
  111. inelegant:  it's different from all the other particles in the theory,
  112. a spinless particle instead of the spin-1/2 particles that make up matter
  113. and the gauge bosons, which have spin 1.  Also, it's possible to argue that 
  114. the theory is "unnatural":  very fine tuning of coupling constants is
  115. necessary to get it to work out.
  116.  
  117. Also, the Higgs has never been detected (definitely), so it's reasonable
  118. to look at different possiblities in case experiment turns up something
  119. more complicated.
  120.  
  121. It appears that spontaneous symmetry breaking can happen without the need
  122. to put in an extra fundamental particle in a sombrero potential.  Though
  123. the calculations are hard or impossible to do at the present time, it is
  124. strongly believed that something similar is happening in the theory of
  125. strong interactions, QCD.  Interactions between quarks and gluons (the
  126. gauge particles associated with the strong nuclear force) somehow produce
  127. spontaneous breaking of an approximate global symmetry of the Lagrangian.
  128. The idea is that the Goldstone bosons correspond to particles well-known
  129. to nuclear and particle physicists:  pions, kaons, and the eta meson.
  130. These are all particles that consist of a quark and an antiquark bound
  131. together.  If the global symmetry were exact, the Goldstone bosons would
  132. be massless.  But the symmetry is actually only approximate; the sombrero
  133. is tilted, so to speak.  So the Goldstone bosons get small masses, and
  134. relations between the masses can be estimated from the theory.  This
  135. seems to agree passably with experiment; the pion, kaon and eta masses
  136. more or less follow the rules.
  137.  
  138. Now, if you've followed me this far, let me summarize:  Gauge theories
  139. provide an elegant description of strong, weak, and electromagnetic
  140. interactions, except that by themselves they seem to imply that some
  141. particles will be massless that are in fact massive.  Spontaneous symmetry
  142. breaking provides a means of overcoming this difficulty.  In the standard
  143. model this is done with a Higgs particle, but there are some problems with
  144. this, at least from some points of view.  But it can also be done in a
  145. certain kind of theory with strong interactions, if these particle masses
  146. are doing what we think they are.
  147.  
  148. The idea behind technicolor is to propose a second bunch of quark-like
  149. particles with their own strong interactions.  (The strong interaction
  150. between quarks is often called the color force, so "technicolor" is a 
  151. cute play on that.)  The difference is that the symmetry that is
  152. an approximate global symmetry of the color force is an exact symmetry
  153. here, and at least part of it is in the gauge symmetry of the other
  154. interactions.  So the particle that gets "eaten" to produce mass isn't
  155. a Higgs Goldstone boson, it's the technicolor equivalent of a pion--
  156. it's a "chiral Goldstone boson," or a technipion!
  157.  
  158. Now, if I understand Scott correctly, you can arrange things so that
  159. some of these "technipions" survive, and they might be detected
  160. experimentally.  That's what he was talking about.
  161.  
  162. There are all kinds of problems.  It's easy to get this spontaneous
  163. symmetry breaking to endow the weak gauge particles with mass; it's
  164. harder to give masses to the quarks and electrons and such.  The
  165. theory gets rather complicated quickly.  But this is the basic idea.
  166.  
  167. You can see now why Scott didn't express his statement in lay language--
  168. he'd have to write all this out!
  169.  
  170. -- 
  171. Matt McIrvin
  172.