Почему связь Хиггса не считается пятой фундаментальной силой?

Обмен бозоном Хиггса между частицами материи с уверенностью можно назвать силой. Можно ли считать ее фундаментальной силой, это дело вкуса. Но есть одно важное различие между силой, обусловленной обменом бозоном Хиггса, и обычными фундаментальными взаимодействиями. Сильные и электрослабые взаимодействия описываются как калибровочные взаимодействия. То есть они не задаются вручную, а возникают автоматически, когда вы требуете, чтобы поля материи были инвариантны относительно некоторых локальных внутренних преобразований (фазовых поворотов, цветовых преобразований и т.п.). В отличие от этого, «сила Хиггса» вводится в модель вручную, поскольку ее присутствие не обусловлено какими-либо соображениями симметрии. С таким же успехом можно рассмотреть модель с нулевой связью Юкавы.

Силы и взаимодействия похожи, поэтому, возможно, для целей этого обсуждения мы должны определить силу как «взаимодействие с безмассовой частицей», поскольку это дает возможность «сил» макроскопического диапазона (за исключением мешающих эффектов, таких как ограничение или нарушение симметрии). . В конце концов, гравитация — это безмассовая, но не Янг-Миллсовская сила (опосредованная частицей со спином-2, а не со спином-1). Есть некоторые ограничения на то, какие спины (представления) безмассовых частиц возможны в квантовой теории поля, но я недостаточно знаком, чтобы пытаться цитировать их навскидку, извините.

Скалярные поля действительно передают импульс в классической физике. Просто взгляните на акустические сигналы в газе. Сильный звук может вызвать дребезжание окон. Хорошо известный пример передачи энергии с помощью звука (волны давления) демонстрируется с помощью камертонов. Квантовая теория говорит о звуке как о частицах (фононах), дискретных квантах квантованных механических колебаний кристаллической решетки, продольная мода которых соответствует нашему макроскопическому восприятию звука. В квантовой теории поля все поля в конечном итоге должны быть проквантованы. Если я правильно понял, частица Хиггса представляет собой дискретные кванты квантованного поля Хиггса. Поскольку поле Хиггса — скалярное поле, его кванты — бозоны. Они несут кинетическую энергию, и эта энергия может передаваться всем квантовым полям, с которыми взаимодействует поле Хиггса. Вам просто нужно взглянуть на лагранжиан, чтобы увидеть все поля, с которыми взаимодействует бозон Хиггса. В качестве альтернативы поищите различные диаграммы Фейнмана, которые включают линии Хиггса. Затем вы можете легко увидеть все частицы, с которыми он взаимодействует.

Теория физики элементарных частиц математически организована как калибровочная теория с групповой структурой SU(3)xSU(2)xU(1) . У них есть обменные бозоны, которые до слабого нарушения симметрии имели нулевую массу, а после нарушения симметрии были связаны с тремя фундаментальными силами : электромагнетизмом, слабым и сильным. Эта ассоциация исходит из математической преемственности, необходимой для перехода от микроскопических рамок квантовой механики к макроскопическим рамкам классической электродинамики, расширенным до сильных и слабых взаимодействий.

Сила в микромире диаграмм Фейнмана — это любое dp/dt, передача импульса при взаимодействии, обменивающемся частицами, например, на этой диаграмме комптоновского рассеяния, которая предназначена для расчета поперечного сечения рассеяния фотона на электроне:

Есть dp/dt, а виртуальной обменной частицей является электрон. Это электромагнитное взаимодействие, потому что входящая вершина является электромагнитной и имеет константу связи электромагнетизма. Обмен электронами между вершинами не является фундаментальной силой.

Фундаментальными являются обмены, связанные с калибровочными бозонами, поскольку диаграммы более низкого порядка, дающие большую часть вероятности взаимодействия, представляют собой простой обмен калибровочными бозонами, когда это разрешено квантовыми числами. Именно простой обмен виртуальными фотонами создаст классические электрические и магнитные потенциалы классического электромагнитного взаимодействия.

Поле Хиггса, связанное с существованием массы элементарных частиц, не передает импульс и, следовательно, не является силой; обмены бозона Хиггса находятся на том же уровне, что, например, обмены электронами (как видно на диаграмме выше) на соответствующих диаграммах, т. е. простой перенос dp/dt. Таким образом, механизм Хиггса не связан с новой фундаментальной силой.

На квантовом уровне именно константы связи определяют тип взаимодействия и являются фундаментальными . Бозон Хиггса находится в электрослабом секторе и, как нейтральная элементарная частица, взаимодействует только с константой слабой связи в вершинах.

Я согласен с комментарием tparker: это абсолютно беспричинно.

Как обсуждалось в этом сообщении в блоге Résonaances , между частицами существует сила, опосредованная Хиггсом, которая немного похожа на скалярную гравитацию, но с диапазоном, подобным слабому взаимодействию. Его диаграммы Фейнмана выглядят точно так же, как диаграммы для других сил. Я не вижу веских причин отказывать этому взаимодействию в статусе фундаментальной силы в свете того факта, что:

• Ядерная сила , переносимая некалибровочными бозонами (пионами), называется силой. Не фундаментальная сила, поскольку пионы не являются фундаментальными, но в остальном она похожа на силу Хиггса. Существует даже пионная версия механизма Хиггса .

• Электромагнитная сила называется фундаментальной, хотя ее носитель силы представляет собой причудливую смесь фундаментальных калибровочных полей SU(2) и U(1).

• Слабое взаимодействие называется фундаментальным взаимодействием, несмотря на то, что оно едва ли обладает качествами, которые вы обычно связываете с взаимодействием, а его носители взаимодействия представляют собой причудливые смеси фундаментальных калибровочных полей SU(2) и U(1) и фундаментального поля Хиггса. .

Сила Хиггса разделяет слабость слабого взаимодействия, заключающуюся в том, что она не совсем фундаментальна, потому что Хиггс, который мы видим, не совсем фундаментальное поле Хиггса. Но это и не составная частица. Я склонен сказать, что гравитация, SU(3), SU(2), U(1) и фундаментальная сила Хиггса являются пятью фундаментальными силами нашей текущей стандартной модели, а также электромагнетизм, слабое взаимодействие и низкое взаимодействие. -Энергетическая сила Хиггса должна быть отнесена к категории «карликовых фундаментальных сил».

Поле Хиггса не является векторным полем, как, скажем, векторный потенциал ЭМ. Оно возникает из-за наблюдаемой связи массивных частиц со слабым полем. Таким образом, бозон Хиггса не является калибровочным бозоном, обменивающимся силами, в отличие от других бозонов Стандартной модели.

Если гравитация является фундаментальной силой, то и механизм Хиггса тоже. Это верно независимо от того, связаны они или нет. Механизм Хиггса, безусловно, является источником инерционной массы, которая вдохновила Ньютона на количественную оценку того, что такое сила и как она себя ведет.

Гравитация, как и механизм Хиггса, может добавлять массу/энергию материи в целом (например, постоянное ускорение), искривлять или даже удерживать в пространстве другую силу, переносящую бозоны (фотоны). Это происходит в горизонте событий черных дыр.

Мало того, что механизм Хиггса является фундаментальной силой, способ его взаимодействия, несомненно, уникален среди фундаментальных сил. Он замедляет и ограничивает диапазон носителей электрослабого взаимодействия (W,Z), нарушая локальную симметрию, придавая им массу, не нарушая закон сохранения массы/энергии.