在希格斯玻色子的流行討論中,一個標準短語是“它賦予粒子質量”。希格斯玻色子的合理的,流行科學的描述水平及其與粒子質量的關係在多大程度上呢?
這個措辭是否完全令人誤解?詳細嘗試向某人解釋?
在希格斯玻色子的流行討論中,一個標準短語是“它賦予粒子質量”。希格斯玻色子的合理的,流行科學的描述水平及其與粒子質量的關係在多大程度上呢?
這個措辭是否完全令人誤解?詳細嘗試向某人解釋?
希格斯場(請注意,此處是場很重要,而不是希格斯玻色子本身,這只是希格斯場中的漣漪)產生的粒子質量與力給出質子的質量(上下文:質子質量的$ 99 \%$並非來自其構成的夸克的質量,而是因為夸克具有大量的動能,但受強力約束)力)。如果有任何力將能量限制在少量空間中,則該束縛能量的質量為$ E = mc ^ 2 $。這就是希格斯場的作用:它將無質量的粒子綁定到一個很小的空間中,因此$ E = mc ^ 2 $(並且粒子現在具有固定的參照系,這是事實)有效的休息質量。
要對發生的事情有直觀的感覺,作為練習,您可以通過考慮由鏡盒限制的光子來導出$ E = mc ^ 2 $。光子來回彈跳,在反光鏡上施加壓力,如果您嘗試推動該盒子,由於光子在反光鏡的正面施加的壓力比反光鏡的背面施加的壓力大,因此它會具有慣性。如果計算出來,您會發現鏡盒的有效慣性質量為$ m = E / c ^ 2 $。希格斯場提供的作用類似於鏡盒,從而使內部的粒子“產生”質量。
簡短的回答:在沒有更多上下文的情況下,請不要從字面上理解。
為了理解希格斯玻色子在標準模型中的作用,有必要進一步研究看看我們描述基本粒子的框架:量子場論。
在這種方法中,粒子被描述為跨越所有時空的場的激發。場的基態對應於真空,我們所謂的粒子對應於真空的激發。如果您熟悉量子力學,可以考慮使用諧波振盪器來理解這一概念。
現在要指出的是,質量創建效果是由於存在場而不是關聯的粒子引起的。顆粒的存在是一種一致性要求,最近在大型強子對撞機中得到了證實。
從這個意義上說,問題的答案完全取決於您所說的“希格斯玻色子”的含義:擁有大顆粒並不意味著就粒子而言就存在玻色子不斷地包圍著他們。它們太重了,以至於不能成為可行的選擇,因為125 GeV遠遠超出了人們的日常生活(質子的靜止質量接近1 GeV)。
對於粒子物理學家來說,很明顯,“玻色子”是指整個磁場的性質,而不是磁場的激發。但是,外行會將其與粒子在時空中移動相關聯。因此,您不應從字面上理解此短語。我將避免在不提供任何其他解釋的情況下自由使用它。
“將無質量的粒子束縛在一個很小的空間中”是一個受歡迎的討論的好短語,但這不是描繪希格斯機制的唯一方法。
另一個觀點來自於每個事實某些相互作用場中的粒子的行為完全像其能量或動量已改變。與通常的(運動)動量$ m \ vec {v} $相比,這個概念稱為動量。例如,在磁場中,標準動量為$ \ vec {P} = m \ vec {v} + e \ vec {A} $,在靜電場中,標準能量為$ E = \ tfrac {1 } {2} mv ^ 2 + e \ varphi $(這些公式是非相對論的)。後者最容易理解,因為我們習慣於將$ e \ varphi $勢能稱為。當此類附加項隨空間位置變化時,力會作用在粒子上。
這種想法的變化取決於相互作用場的張量類型。電磁場是矢量場,希格斯場是標量場。 (其他類型的場也是可能的,例如,GR中的引力場是2階張量場。)這導致了一個重要的事實:能量和動量以相同的因子變化(在相對論意義上) ,這與質量會發生變化相同。 $ \ vec {P} = m \ gamma \ vec {v} + \ Delta m \,\ gamma \ vec {v} $和$ E = m \ gamma c ^ 2 + \ Delta m \,\ gamma c ^ 2 $,$ \ Delta m = gh $,其中$ g $是耦合常數。
因此,無論何時某些標量相互作用場得到一個非零值,粒子都會像它們獲得一些質量一樣運動。而且希格斯字段在整個宇宙中確實有一個恆定的非零值,$ h = h_0 $。因此,所有粒子都有其希格斯質量,除此以外,它們都不能具有顯式質量。理論認為是這樣。
一個簡單的標準答案(對於標準的希格斯玻色子場)是,粒子通過通過該場來獲取質量,從而改變了粒子的慣性(因此表現為獲取質量,它是對質量的度量)。
當然,仍然要研究標準的希格斯玻色子(如果它是標準的,而不是其他提議的某些變體),這不是人們能夠推理或解釋其給出的唯一方法質量達到其他顆粒。
您應該從字面上完全理解它。 (關於希格斯場與希格斯玻色子的小道誤導了。粒子直到希格斯玻色子出現時才獲得質量,因此將粒子質量歸因於希格斯玻色子是正確的。)
但是,有一種簡單的方法可以對此進行描述。希格斯玻色子的概念是完全通用的,儘管在粒子物理學中,通常是指標準模型希格斯。當系統經歷破壞某些對稱性的相變時,會出現“希格斯玻色子”。
固態物理學中有很多例子發生了相同的事情。在超導體中,例如,在臨界溫度下,庫珀對變成“希格斯”玻色子,並且獲得質量的粒子是光子。這是著名的BCS超導體理論。與金茨堡-蘭道的相變理論進行比較,在相變理論中,場擴展了偶數場的電勢。