753:
46:
4145:
8620:
3681:
8875:
4140:{\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\mathrm {K} }=\sum _{f}{\overline {f}}(i\partial \!\!\!/\!\;-m_{f})\ f-{\frac {1}{4}}\ A_{\mu \nu }\ A^{\mu \nu }-{\frac {1}{2}}\ W_{\mu \nu }^{+}\ W^{-\mu \nu }+m_{W}^{2}\ W_{\mu }^{+}\ W^{-\mu }\\\qquad -{\frac {1}{4}}\ Z_{\mu \nu }Z^{\mu \nu }+{\frac {1}{2}}\ m_{Z}^{2}\ Z_{\mu }\ Z^{\mu }+{\frac {1}{2}}\ (\partial ^{\mu }\ H)(\partial _{\mu }\ H)-{\frac {1}{2}}\ m_{H}^{2}\ H^{2}~,\end{aligned}}}
3639:
776:
8887:
1404:
6267:
2429:
3432:
3299:
4884:
5982:
7261:
1229:
6028:
3411:
The
Lagrangian reorganizes itself as the Higgs field acquires a non-vanishing vacuum expectation value dictated by the potential of the previous section. As a result of this rewriting, the symmetry breaking becomes manifest. In the history of the universe, this is believed to have happened shortly
1143:
combination of the hypercharge and the weak isospin must interact with the Higgs. This causes an apparent separation between the weak force, which interacts with the Higgs, and electromagnetism, which does not. Mathematically, the electric charge is a specific combination of the hypercharge and
2170:
3634:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {EW} }={\mathcal {L}}_{\mathrm {K} }+{\mathcal {L}}_{\mathrm {N} }+{\mathcal {L}}_{\mathrm {C} }+{\mathcal {L}}_{\mathrm {H} }+{\mathcal {L}}_{\mathrm {HV} }+{\mathcal {L}}_{\mathrm {WWV} }+{\mathcal {L}}_{\mathrm {WWVV} }+{\mathcal {L}}_{\mathrm {Y} }~.}
3032:
7434:
2702:
4495:
2015:
1841:
4682:
5791:
5330:
5673:
2957:
6732:
5118:
1399:{\displaystyle {\begin{pmatrix}\gamma \\Z^{0}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\cos \theta _{\text{W}}&\sin \theta _{\text{W}}\\-\sin \theta _{\text{W}}&\cos \theta _{\text{W}}\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}B\\W_{3}\end{pmatrix}},}
1707:
4975:
6262:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {HV} }=\left(\ g\ m_{\mathrm {HV} }+{\frac {\ g^{2}\ }{4}}\;H^{2}\ \right)\left(\ W_{\mu }^{+}\ W^{-\mu }+{\frac {1}{\ 2\ \cos ^{2}\ \theta _{\mathrm {W} }\ }}\;Z_{\mu }\ Z^{\mu }\ \right)~.}
2424:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{f}={\overline {Q}}_{j}iD\!\!\!\!/\;Q_{j}+{\overline {u}}_{j}iD\!\!\!\!/\;u_{j}+{\overline {d}}_{j}iD\!\!\!\!/\;d_{j}+{\overline {L}}_{j}iD\!\!\!\!/\;L_{j}+{\overline {e}}_{j}iD\!\!\!\!/\;e_{j},}
1577:
4343:
3294:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{y}=-y_{u\ ij}\epsilon ^{ab}\ h_{b}^{\dagger }\ {\overline {Q}}_{ia}u_{j}^{c}-y_{d\ ij}\ h\ {\overline {Q}}_{i}d_{j}^{c}-y_{e\,ij}\ h\ {\overline {L}}_{i}e_{j}^{c}+\mathrm {h.c.} ~,}
6680:
2553:
1129:
3675:
contains all the quadratic terms of the
Lagrangian, which include the dynamic terms (the partial derivatives) and the mass terms (conspicuously absent from the Lagrangian before symmetry breaking)
7310:
4879:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {N} }=e\ J_{\mu }^{\mathrm {em} }\ A^{\mu }+{\frac {g}{\ \cos \theta _{W}\ }}\ (\ J_{\mu }^{3}-\sin ^{2}\theta _{W}\ J_{\mu }^{\mathrm {em} }\ )\ Z^{\mu }~,}
4351:
6737:
3686:
1891:
1736:
7722:
7559:
5977:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {H} }=-{\frac {\ g\ m_{\mathrm {H} }^{2}\,}{\ 4\ m_{\mathrm {W} }\ }}\;H^{3}-{\frac {\ g^{2}\ m_{\mathrm {H} }^{2}\ }{32\ m_{\mathrm {W} }^{2}}}\;H^{4}~.}
7302:
4674:
4635:
6724:
2568:
6308:
6020:
5200:
3401:
5783:
5014:
5376:
813:. The neutral Higgs field (circled) breaks the electroweak symmetry and interacts with other particles to give them mass. Three components of the Higgs field become part of the massive
5748:
3020:
4268:
870:, which describes the formal operations that can be applied to the electroweak gauge fields without changing the dynamics of the system. These fields are the weak isospin fields
3673:
2798:
2158:
1875:
4225:
4187:
5192:
2829:
2053:
3346:
61:
7590:
2121:
499:
7256:{\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {L}}_{\mathrm {WWVV} }=-{\frac {\ g^{2}\ }{4}}\ {\Biggl \{}\ &{\Bigl }^{2}\\&-{\Bigl }^{2}\,{\Biggr \}}~.\end{aligned}}}
2488:
5365:
5154:
2764:
5702:
4589:
2091:
5022:
2731:
730:. Initially rejecting such a particle as useless, he later realized his symmetries produced the electroweak force, and he proceeded to predict rough masses for the
4563:
4541:
4518:
2980:
2821:
1620:
8505:
4892:
1160:(the symmetry group of electromagnetism only) is defined to be the group generated by this special linear combination, and the symmetry described by the
1139:. That is to say: the Higgs and the electromagnetic field have no effect on each other, at the level of the fundamental forces ("tree level"), while any
540:. Although these two forces appear very different at everyday low energies, the theory models them as two different aspects of the same force. Above the
8106:
Guralnik, G.S. (2009). "The history of the
Guralnik, Hagen, and Kibble development of the theory of spontaneous symmetry breaking and gauge particles".
1512:
492:
1049:), an elaborate quantum-field-theoretic phenomenon that "spontaneously" alters the realization of the symmetry and rearranges degrees of freedom.
8649:
747:
139:
4273:
8757:
485:
7820:
8891:
8108:
7460:
6316:
8634:
135:
8498:
62:
2500:
1073:
606:. The existence of the electroweak interactions was experimentally established in two stages, the first being the discovery of
7429:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {Y} }=-\sum _{f}\ {\frac {\ g\ m_{f}\ }{2\ m_{\mathrm {W} }}}\;{\overline {f}}\ f\ H~.}
8752:
4490:{\displaystyle X_{\mu \nu }^{a}=\partial _{\mu }X_{\nu }^{a}-\partial _{\nu }X_{\mu }^{a}+gf^{abc}X_{\mu }^{b}X_{\nu }^{c}~,}
3304:
and generates their masses, manifest when the Higgs field acquires a nonzero vacuum expectation value, discussed next. The
2010:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{g}=-{\tfrac {1}{4}}W_{a}^{\mu \nu }W_{\mu \nu }^{a}-{\tfrac {1}{4}}B^{\mu \nu }B_{\mu \nu },}
1836:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {EW} }={\mathcal {L}}_{g}+{\mathcal {L}}_{f}+{\mathcal {L}}_{h}+{\mathcal {L}}_{y}~.}
2160:
is the kinetic term for the
Standard Model fermions. The interaction of the gauge bosons and the fermions are through the
967:
boson of weak hypercharge, respectively, all of which are "initially" massless. These are not physical fields yet, before
65:
60:
8835:
2697:{\displaystyle \ D_{\mu }\equiv \partial _{\mu }-i\ {\frac {g'}{2}}\ Y\ B_{\mu }-i\ {\frac {g}{2}}\ T_{j}\ W_{\mu }^{j}.}
7667:
7500:
8491:
7268:
5325:{\displaystyle J_{\mu }^{3}=\sum _{f}\ T_{f}^{3}\ {\overline {f}}\ \gamma _{\mu }\ {\frac {\ 1-\gamma ^{5}\ }{2}}\ f~,}
4640:
4601:
17:
6687:
66:
63:
8659:
8318:
8295:
8276:
8245:
7883:
6274:
565:
165:
55:
5989:
5668:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {C} }=-{\frac {g}{\ {\sqrt {2\;}}\ }}\ \left\ W_{\mu }^{+}+\mathrm {h.c.} ~,}
3351:
73:
64:
8840:
5755:
71:
56:
4980:
7455:
72:
568:
since before the quark epoch, and currently the highest human-made temperature in thermal equilibrium is around
8800:
930:) respectively. These then give rise to the gauge bosons that mediate the electroweak interactions – the three
53:
50:
8691:
8639:
8366:
Y. Hayato; et al. (1999). "Search for Proton Decay through p → νK in a Large Water
Cherenkov Detector".
5710:
1727:
1026:
968:
723:
696:
109:
2988:
461:
8850:
4229:
346:
54:
3426:
Due to its complexity, this
Lagrangian is best described by breaking it up into several parts as follows.
8913:
2952:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{h}=|D_{\mu }h|^{2}-\lambda \left(|h|^{2}-{\frac {v^{2}}{2}}\right)^{2}\ ,}
670:
51:
3647:
2772:
2132:
1849:
548:, they would merge into a single force. Thus, if the temperature is high enough – approximately 10
4191:
4153:
2161:
752:
688:
and one achiral, and combined them such that their overall symmetry was unbroken. This did not yield a
5159:
2450:
are the left-handed doublet, right-handed singlet up, and right handed singlet down quark fields; and
2023:
58:
8805:
3307:
1723:
903:
738:
proved that spontaneously broken gauge symmetries are renormalizable even with massive gauge bosons.
552:– then the electromagnetic force and weak force merge into a combined electroweak force. During the
49:
8810:
7495:
630:
426:
356:
7568:
2096:
67:
8879:
8724:
8592:
8368:
8069:
8026:
7983:
7593:
529:
57:
7924:
2464:
8597:
8570:
8415:
J. Hucks (1991). "Global structure of the standard model, anomalies, and charge quantization".
7875:
7869:
5338:
5126:
5113:{\displaystyle J_{\mu }^{\mathrm {em} }=\sum _{f}\ q_{f}\ {\overline {f}}\ \gamma _{\mu }\ f~,}
2736:
2459:
598:
for their contributions to the unification of the weak and electromagnetic interaction between
595:
376:
261:
201:
131:
70:
5681:
4567:
8845:
8719:
8686:
8469:
D. P. Roy (1999). "Basic
Constituents of Matter and their Interactions – A Progress Report".
7899:
7475:
4676:
components of the
Lagrangian contain the interactions between the fermions and gauge bosons,
2124:
2058:
854:
577:
251:
68:
52:
7851:
4150:
where the sum runs over all the fermions of the theory (quarks and leptons), and the fields
8795:
8734:
8729:
8703:
8550:
8426:
8387:
8346:
8180:
8127:
8078:
8035:
7992:
7936:
7903:
7835:
7782:
7724:
in the weak coupling formulas: These factors are deliberately inserted to expunge any left-
7649:
2710:
634:
525:
161:
101:
69:
59:
8161:
D'Onofrio, Michela; Rummukainen, Kari (2016). "Standard model cross-over on the lattice".
1702:{\displaystyle W^{\pm }={\frac {1}{\sqrt {2\,}}}\,{\bigl (}\,W_{1}\mp iW_{2}\,{\bigr )}~.}
8:
8762:
7725:
685:
599:
396:
211:
196:
79:
8430:
8391:
8350:
8184:
8131:
8082:
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7996:
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7839:
7786:
4545:
4523:
436:
8790:
8560:
8470:
8455:
8403:
8377:
8206:
8170:
8143:
8117:
7798:
4503:
3023:
2965:
2806:
2559:
735:
371:
286:
8676:
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8417:
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8358:
8314:
8291:
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7450:
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541:
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246:
241:
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181:
157:
153:
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8602:
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8135:
8086:
8043:
8000:
7944:
7843:
7790:
7445:
4970:{\displaystyle ~e=g\ \sin \theta _{\mathrm {W} }=g'\ \cos \theta _{\mathrm {W} }~.}
923:
791:
677:
674:
666:
662:
658:
638:
537:
533:
513:
406:
401:
301:
276:
236:
93:
37:
1572:{\displaystyle m_{\text{Z}}={\frac {m_{\text{W}}}{\,\cos \theta _{\text{W}}\,}}~.}
1426:. The axes representing the particles have essentially just been rotated, in the (
8777:
8644:
8337:
7728:
components of the spinor fields. This is why electroweak theory is said to be a '
7465:
1042:
972:
711:
689:
681:
607:
591:
583:
451:
336:
326:
321:
311:
271:
266:
226:
113:
8399:
7847:
1052:
The electric charge arises as the particular linear combination (nontrivial) of
466:
8815:
8514:
8253:
8192:
8091:
8064:
8048:
8021:
8005:
7978:
7470:
2491:
1185:
bosons coalesce into two different physical bosons with different masses – the
983:
979:
731:
642:
623:
391:
361:
306:
296:
281:
191:
97:
33:
8139:
8907:
8785:
8744:
8438:
8310:
7730:
7627:: Each of the two forces gets its own, independent copy of the unitary group.
911:
863:
654:
411:
366:
331:
186:
853:
Mathematically, electromagnetism is unified with the weak interactions as a
8767:
8698:
8607:
8565:
8555:
8446:
7304:
contains the Yukawa interactions between the fermions and the Higgs field,
3419:
915:
867:
780:
734:. Significantly, he suggested this new theory was renormalizable. In 1971,
692:
471:
441:
416:
386:
256:
231:
216:
105:
7753:
Glashow, S. (1959). "The renormalizability of vector meson interactions."
2458:
are the left-handed doublet and right-handed singlet electron fields. The
8681:
8575:
8543:
8538:
7770:
7641:
7562:
2801:
1136:
1046:
727:
719:
707:
626:
587:
553:
446:
431:
381:
341:
291:
8201:
4338:{\displaystyle \ W_{\mu \nu }^{+}\equiv (W_{\mu \nu }^{-})^{\dagger }\ }
722:
with a manually broken symmetry. Later around 1967, while investigating
641:
were awarded the Nobel prize for showing that the electroweak theory is
8475:
8460:
8382:
8160:
8062:
7794:
5750:
determines the mixing between mass and weak eigenstates of the quarks.
5705:
611:
561:
456:
221:
5785:
contains the Higgs three-point and four-point self interaction terms,
2558:
and the covariant derivative (excluding the gluon gauge field for the
703:. This received little notice, as it matched no experimental finding.
726:, Weinberg found a set of symmetries predicting a massless, neutral
8860:
8175:
1726:
for the electroweak interactions is divided into four parts before
557:
8256:
with no formal mathematics. Very thorough on the weak interaction.
8122:
805:, of the known elementary particles, showing the electric charge,
684:
first experimented with introducing two different symmetries, one
8533:
8483:
700:
27:
Unified description of electromagnetism and the weak interaction
7773:; Ward, J. C. (1959). "Weak and electromagnetic interactions".
3412:
after the hot big bang, when the universe was at a temperature
1596:
bosons, in turn, combine to produce the charged massive bosons
1022:
715:
564:. It is thought that the required temperature of 10 K has
549:
6675:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {WWV} }=-i\ g\ \left~.}
775:
8236:
Deep Down Things: The
Breathtaking Beauty of Particle Physics
5156:
is the fermions' electric charges. The neutral weak current
907:
859:
560:), the electroweak force split into the electromagnetic and
8013:
4595:
by the structure constants of the appropriate gauge group.
6022:
contains the Higgs interactions with gauge vector bosons,
2548:{\displaystyle D\!\!\!\!/\equiv \gamma ^{\mu }\ D_{\mu },}
1448:. This also introduces a mismatch between the mass of the
1124:{\displaystyle Q=T_{3}+{\tfrac {1}{2}}\,Y_{\mathrm {W} }}
619:
615:
545:
8454:
2127:
for the weak isospin and weak hypercharge gauge fields.
695:, and its gauge symmetry had to be broken by hand as no
7636:
Although electromagnetism – e.g. the photon – does not
5370:
The charged current part of the Lagrangian is given by
2823:
and its interactions with itself and the gauge bosons,
1717:
7675:
7660:
7658:
7494:
The particular number 246 GeV is taken to be the
3406:
1967:
1916:
1365:
1274:
1238:
1097:
7979:"Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons"
7670:
7571:
7503:
7313:
7271:
6735:
6690:
6319:
6277:
6031:
5992:
5794:
5758:
5713:
5684:
5379:
5341:
5203:
5162:
5129:
5025:
4983:
4895:
4685:
4643:
4604:
4570:
4548:
4526:
4506:
4354:
4276:
4232:
4194:
4156:
3684:
3650:
3435:
3354:
3310:
3035:
2991:
2968:
2832:
2809:
2775:
2739:
2713:
2571:
2503:
2467:
2173:
2135:
2099:
2061:
2026:
1894:
1852:
1739:
1623:
1515:
1232:
1076:
614:
collaboration in 1973, and the second in 1983 by the
8334:
8063:
Guralnik, G.S.; Hagen, C.R.; Kibble, T.W.B. (1964).
5704:
is the right-handed singlet neutrino field, and the
8285:
7655:
3423:(assuming the Standard Model of particle physics).
8233:
8022:"Broken symmetries and the masses of gauge bosons"
7717:{\displaystyle ~{\tfrac {1}{2}}\ (1-\gamma ^{5})~}
7716:
7584:
7554:{\displaystyle v=(G_{\text{F}}{\sqrt {2}})^{-1/2}}
7553:
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6718:
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6310:contains the gauge three-point self interactions,
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1571:
1398:
1174:The above spontaneous symmetry breaking makes the
1123:
622:collaborations that involved the discovery of the
8335:E. S. Abers; B. W. Lee (1973). "Gauge theories".
8065:"Global conservation laws and massless particles"
7964:Particle Physics and Introduction to Field Theory
7297:{\displaystyle \ {\mathcal {L}}_{\mathrm {Y} }\ }
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2507:
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2474:
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1877:term describes the interaction between the three
629:in proton–antiproton collisions at the converted
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6719:{\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {WWVV} }}
699:was known, but it predicted a new particle, the
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48:
8650:Mathematical formulation of the Standard Model
8105:
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7812:
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3396:{\displaystyle \ k\in \{\mathrm {u,d,e} \}\ ,}
748:Mathematical formulation of the Standard Model
534:electromagnetism (electromagnetic interaction)
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2438:sums over the three generations of fermions;
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3384:
3364:
714:had the same idea, but predicted a massless
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763:, and relation between coupling constants
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8174:
8121:
8109:International Journal of Modern Physics A
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7922:
7769:
7461:Standard Model (mathematical formulation)
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1658:
1650:
1646:
1559:
1542:
1108:
665:, a search began for a way to relate the
8414:
7818:
2766:are the components of the weak isospin.
1029:of the electroweak symmetry SU(2) Ă— U(1)
774:
751:
7925:"Electromagnetic and weak interactions"
7923:Salam, A.; Ward, J.C. (November 1964).
7867:
5743:{\displaystyle M_{ij}^{\mathrm {CKM} }}
982:, the observed physical particles, the
14:
8906:
4520:to be replaced by the relevant field (
3015:{\displaystyle \ {\mathcal {L}}_{y}\ }
8487:
8019:
4263:{\displaystyle \ W_{\mu \nu }^{-}\ ,}
1167:group is unbroken, since it does not
8886:
8269:Introduction to Elementary Particles
1718:Before electroweak symmetry breaking
7961:
3407:After electroweak symmetry breaking
24:
8513:
8307:Modern Elementary Particle Physics
8240:. Johns Hopkins University Press.
8225:
8220:
7623:are distinct instances of generic
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1115:
44:
25:
8925:
8288:Gauge Theory of Weak Interactions
7900:"The Nobel Prize in Physics 1979"
7871:The Equations: Icons of knowledge
4220:{\displaystyle \ Z_{\mu \nu }\ ,}
4182:{\displaystyle \ A_{\mu \nu }\ ,}
2982:is the vacuum expectation value.
891:, and the weak hypercharge field
166:Physics beyond the Standard Model
8885:
8874:
8873:
8618:
5187:{\displaystyle \ J_{\mu }^{3}\ }
2733:is the weak hypercharge and the
2048:{\displaystyle W_{a}^{\mu \nu }}
8154:
8099:
8056:
7977:Englert, F.; Brout, R. (1964).
7970:
7630:
7456:History of quantum field theory
5367:is the fermions' weak isospin.
3923:
3341:{\displaystyle \ y_{k}^{ij}\ ,}
8801:Causal dynamical triangulation
8286:W. Greiner; B. MĂĽller (2000).
7955:
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895:. This invariance is known as
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13:
1:
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1712:
1027:spontaneous symmetry breaking
969:spontaneous symmetry breaking
756:Weinberg's weak mixing angle
724:spontaneous symmetry breaking
110:Spontaneous symmetry breaking
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7:
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1025:, are produced through the
544:, on the order of 246
10:
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2483:{\displaystyle D\!\!\!\!/}
2162:gauge covariant derivative
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648:
140:Standard Model mathematics
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8616:
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8271:. John Wiley & Sons.
8140:10.1142/S0217751X09045431
5360:{\displaystyle T_{f}^{3}}
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2759:{\displaystyle \ T_{j}\ }
1171:interact with the Higgs.
528:of two of the four known
8811:Superfluid vacuum theory
8439:10.1103/PhysRevD.43.2709
8267:D. J. Griffiths (1987).
8260:
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7481:
5697:{\displaystyle \ \nu \ }
4584:{\displaystyle W^{\pm }}
1151:outlined in the figure.
934:bosons of weak isospin (
631:Super Proton Synchrotron
530:fundamental interactions
8593:Quantum electrodynamics
8583:Electroweak interaction
8369:Physical Review Letters
8070:Physical Review Letters
8027:Physical Review Letters
7984:Physical Review Letters
7594:Fermi coupling constant
2086:{\displaystyle a=1,2,3}
1203:boson, and the photon (
518:electroweak interaction
128:Electroweak interaction
8571:Quantum chromodynamics
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7586:
7555:
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2011:
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1871:
1837:
1703:
1573:
1484:particles (denoted as
1437:) plane, by the angle
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1125:
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772:
596:Nobel Prize in Physics
594:were awarded the 1979
132:Quantum chromodynamics
76:
8687:Cosmological constant
8232:B. A. Schumm (2004).
7719:
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755:
697:spontaneous mechanism
604:Weinberg–Salam theory
578:Large Hadron Collider
162:Neutrino oscillations
82:of the Standard Model
75:
8796:Loop quantum gravity
8735:Theory of everything
8730:Grand Unified Theory
8704:Neutrino oscillation
8551:Quantum field theory
8252:Conveys much of the
8020:Higgs, P.W. (1964).
7904:The Nobel Foundation
7821:"A Model of Leptons"
7819:Weinberg, S (1967).
7668:
7650:quantum fluctuations
7569:
7501:
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4637:and charged current
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2434:where the subscript
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1466:and the mass of the
1230:
1074:
897:electroweak symmetry
600:elementary particles
102:Quantum field theory
80:Elementary particles
8763:Split supersymmetry
8725:Kaluza–Klein theory
8598:Fermi's interaction
8431:1991PhRvD..43.2709H
8392:1999PhRvL..83.1529H
8351:1973PhR.....9....1A
8305:G. L. Kane (1987).
8185:2016PhRvD..93b5003D
8132:2009IJMPA..24.2601G
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7644:, it does interact
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2800:term describes the
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1944:
971:and the associated
914:are given the name
657:in 1956 discovered
556:(shortly after the
526:unified description
8914:Electroweak theory
8791:Superstring theory
8561:Strong interaction
7962:Lee, T.D. (1981).
7795:10.1007/BF02726525
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1045:(see also
1021:, and the
904:generators
653:After the
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576:(from the
562:weak force
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