Хигс полето и бозонът: как частиците придобиват маса

Разберете как Хигс полето и Хигс бозонът придават маса на частиците, как работи ефектът на Хигс и защо това оформя Вселената.

Полето на Хигс е квантово поле, което според настоящите модели на физиката на елементарните частици присъства навсякъде във Вселената. То има ненулева вакуумна стойност — т.е. дори "празното" пространство съдържа това поле. Колебанията на полето се проявяват като фундаментална частица, известна като Хигс бозон, която бе открита експериментално в Големия адронен колайдер (CERN) през 2012 г. (с маса около 125 GeV/c^2). Хигс бозонът е възбуждане на самото поле и служи като доказателство за съществуването на полето.

Основната роля на полето на Хигс в Стандартния модел е да обясни как някои частици придобиват маса чрез механизъм, наречен Хигс механизъм или ефект на Хигс. Частиците, като електроните и някои кварки, взаимодействат с полето чрез т.нар. юкавови (Yukawa) взаимодействия: силата на това взаимодействие определя колко "тежка" ще бъде частицата. По аналогия, често използвана за популярни обяснения, движението на частица през Хигс полето се сравнява с преминаването през тресавище — взаимодействието забавя движението и прави ефекта на инертна маса по-осезаем. Тази аналогия е полезна интуитивно, но не трябва да се приема буквално: полето не е вещество като тресавището и не предизвиква триене в обичайния смисъл.

Как точно се появява масата

В сърцевината на Хигс механизма стои явлението спонтанно нарушение на симетрията: полето придобива постоянно (ненулево) вакуумно средно стойност (приблизително 246 GeV), което променя начина, по който слабото и електромагнитното взаимодействие се проявяват. В резултат:

• носителите на слабото взаимодействие W и Z получават маса;
• заредените фундаментални фермиони (напр. електрон, върхов кварк) получават маса в зависимост от силата на тяхната юкавова връзка с Хигс полето;
• фотонът не придобива маса, защото електромагнитната симетрия остава непрекъсната и фотонът няма юкавова връзка с Хигс полето;
• повечето от масата на съставни частици като протона произлиза не от Хигс взаимодействието, а от енергията на силното взаимодействие (QCD) — свързващите глуони и кинетичната енергия на кварките.

Често срещани заблуди и уточнения

Някои популярни описания могат да доведат до погрешни представи. Няколко важни уточнения:

• Хигс полето не "създава материя от нищото". Закони за запазване на енергията и квантовите полета остават в сила — полето дава механизъм, по който частици получават маса, но не нарушава фундаменталните консервации, споменати в законите за запазване на енергията.
• Фотоните остават масовионни (massless) — те не придобиват маса от Хигс полето и продължават да се движат със светлинната скорост в вакуум.
• Ако нямаше Хигс механизъм, много частици (например W и Z) щяха да са безмасови и слабото взаимодействие би било дългодействащо; това би променило коренно структурата на атомите и възможността за стабилни звезди и химия.
• Гравитацията не "изчезва" просто защото няма маса — гравитацията в Общата теория на относителността се сурва към енерго-импулсния тензор (масата е част от него). Липсата на масивни частици би променила гравитационните ефекти и структурата на Вселената, но генезисът на гравитацията не се обяснява от Хигс полето.
• Някои частици (например неутриното) имат много малки маси и техният произход може да се обясни по различни механизми (например "сеез" механизъм), които не са напълно изяснени в рамките на простата юкавова връзка.

Значението и откриването

Откриването на Хигс бозона през 2012 г. бе решаващо потвърждение на механизма за нарушаване на електрослаба симетрия и на самото съществуване на полето на Хигс. Това затвърди Стандартния модел като много успешна теория за описаниe на елементарните частици и техните взаимодействия, въпреки че остават нерешени въпроси — например природата на тъмната материя, причината за стойността на вакуумната очаквана стойност на Хигс и пълното обяснение на масите на неутрината.

В обобщение: полето на Хигс и неговата частица — Хигс бозонът — са централни за разбирането как някои елементарни частици придобиват маса. Въпреки че популярните метафори (като тресавището) помагат за интуицията, реалният механизъм е квантово-полев и се описва чрез математическите принципи на симетрията и спонтанното ѝ нарушение.

Ефектът на Хигс

Ефектът на Хигс е теоретично обоснован за първи път през 1968 г. от авторите на статиите за нарушаване на симетрията на PRL. През 1964 г. три екипа пишат научни статии, в които предлагат свързани, но различни подходи за обяснение на това как може да възникне маса в локалните калибровъчни теории.

През 2013 г. Хигс бозонът, а оттам и Хигс ефектът, бяха условно доказани в Големия адронен колайдер (а Хигс бозонът беше открит на 4 юли 2012 г.). Ефектът се разглеждаше като откриване на липсващо парче от Стандартния модел.

Според калибровъчната теория (теорията, залегнала в основата на Стандартния модел) всички частици, носещи сила, трябва да са безмасови. Въпреки това силовите частици, които са посредници на слабата сила, имат маса. Това се дължи на ефекта на Хигс, който нарушава симетрията SU(2) (SU означава специална унитарна матрица, вид матрица, а 2 се отнася до размера на съответните матрици).

Симетрия на система е операция, извършена върху система, като например завъртане или преместване, която оставя системата основно непроменена. Симетрията също така предоставя правило за това как нещо трябва да действа винаги, освен ако не му въздейства външна сила. Пример за това е кубчето на Рубик. Ако вземем кубчето на Рубик и го разбъркаме, като правим каквито си искаме движения, все още е възможно да го решим. Тъй като всяко движение, което правим, все още оставя кубчето на Рубик решимо, можем да кажем, че тези движения са "симетрии" на кубчето на Рубик. Заедно те образуват така наречената група симетрии на куба на Рубик. Извършването на който и да е от тези ходове не променя главоблъсканицата, а винаги я оставя решима. Но можем да нарушим тази симетрия, като направим нещо като разглобяване на куба и сглобяването му по напълно погрешен начин. Независимо от това какви ходове ще опитаме сега, решаването на куба е невъзможно. Разглобяването на куба на части и повторното му сглобяване по неправилен начин е "външната сила": Без тази външна сила нищо, което правим с куба, не го прави нерешим. Симетрията на кубчето на Рубик се състои в това, че то остава решимо, каквито и движения да правим, стига да не разглобяваме кубчето.

Създаване на Хигс бозона

Начинът, по който се нарушава симетрията SU(2), е известен като "спонтанно нарушаване на симетрията". Спонтанно означава случайно или неочаквано, симетриите са правилата, които се променят, а нарушаването се отнася до факта, че симетриите вече не са същите. Резултатът от спонтанното нарушаване на SU(2) симетрията може да бъде Хигс бозон.

Причина за ефекта на Хигс

Ефектът на Хигс се появява, защото природата "се стреми" към най-ниското енергийно състояние. Ефектът на Хигс ще се случи, защото калибровъчните бозони в близост до полето на Хигс ще искат да бъдат в най-ниските си енергийни състояния, а това ще наруши поне една симетрия.

За да оправдаят придаването на маса на една предполагаема безмасова частица, учените бяха принудени да направят нещо необичайно. Те предположили, че вакуумът (празното пространство) всъщност има енергия и по този начин, ако в него влезе частица, която смятаме за безмасова, енергията от вакуума ще се прехвърли в тази частица, придавайки ѝ маса. Един математик на име Джефри Голдстоун доказа, че ако се наруши симетрия (например симетрия при кубчето на Рубик би било, ако се твърди, че ъглите трябва винаги да се завъртат 0 или 3 пъти, за да се решат (това работи)), ще се получи реакция. В случая с куба на Рубик кубът ще стане нерешим, ако се наруши. В случая с полето на Хигс се получава нещо, наречено на името на Джефри Голдстоун (и друг учен, който е работил с него, на име Йоичиро Намбу) - бозон на Намбу-Голдстоун. Това е възбудена или енергийна форма на вакуума, която може да се изобрази на графиката, разкриваща показаната по-горе. За първи път това е обяснено от Питър Хигс.

Така нареченият "потенциал на мексиканската шапка"

Въпроси и отговори

В: Какво представлява полето на Хигс?

В: Коя е фундаменталната частица, която е свързана с полето на Хигс?

В: Какво се случва, когато частиците взаимодействат с полето на Хигс?

Въпрос: Полето на Хигс генерира ли маса?

Въпрос: Какъв е резултатът от това, че частица придобива маса от полето на Хигс?

Въпрос: Какво би се случило, ако полето на Хигс не съществуваше?

В: Какво представлява ефектът на Хигс?

Търсене по буква