Насколько буквально следует понимать фразу «бозон Хиггса придает массу другим частицам»?

Поле Хиггса (обратите внимание, что здесь важно именно поле , а не сам бозон Хиггса, который является просто рябью в поле Хиггса) придает частицам массу в том же смысле, в каком сильное взаимодействие придает массу протону (контекст:$99\%$массы протона происходит не от массы составляющих его кварков, а от того факта, что, грубо говоря, кварки обладают большой кинетической энергией, но связаны сильным взаимодействием). Если какая-либо сила удерживает энергию в небольшом пространстве, то эта связанная энергия имеет массу, определяемую выражением$E=mc^2$. Это то, что делает поле Хиггса: оно связывает безмассовую частицу в маленьком пространстве, и поэтому$E=mc^2$(и тот факт, что частица теперь имеет систему отсчета, в которой она неподвижна) эта частица имеет эффективную массу покоя.

Чтобы получить интуитивное представление о том, что происходит, в качестве упражнения вы можете вывести$E=mc^2$рассматривая фотон, заключенный в зеркальный ящик. Фотон отскакивает взад и вперед, оказывая давление на зеркало, и если вы попытаетесь толкнуть коробку, она будет иметь инерцию из-за того, что фотон оказывает большее давление на переднюю часть зеркала, чем на заднюю. Если вы проработаете это, вы обнаружите, что зеркальный ящик имеет эффективную инерционную массу$m=E/c^2$. Поле Хиггса обеспечивает силу, действующую подобно этому зеркальному ящику, тем самым «придавая» массу частице внутри него.

Краткий ответ: не воспринимайте это буквально, без дополнительного контекста .

Чтобы понять роль бозона Хиггса в Стандартной модели, необходимо поближе взглянуть на структуру, в которой мы описываем элементарные частицы: квантовую теорию поля.

В этом подходе частицы описываются как возбуждения полей, охватывающих все пространство-время. Основное состояние поля соответствует вакууму, возбуждениям последнего соответствует то, что мы называем частицами. Если вы знакомы с квантовой механикой, подумайте о гармоническом осцилляторе, чтобы понять концепцию.

Теперь дело в том, что эффект создания массы возникает из-за наличия поля, а не связанной с ним частицы . Существование частицы возникает как своего рода требование непротиворечивости, которое недавно было подтверждено на LHC.

В этом смысле ответ на ваш вопрос полностью зависит от того, что вы подразумеваете под «бозоном Хиггса» : наличие массивных частиц не означает, что существуют бозоны в смысле постоянно окружающих их частиц. Они слишком тяжелы, чтобы это был жизнеспособный вариант, поскольку 125 ГэВ намного превосходят то, что человек испытывает в повседневной жизни (масса покоя протона составляет почти 1 ГэВ).

Для физика элементарных частиц очевидно, что «бозон» относится к свойству поля в целом, а не к возбуждению последнего. Однако неспециалист свяжет его с частицей, движущейся в пространстве-времени. Поэтому не стоит воспринимать эту фразу буквально. Я бы воздержался от его свободного использования без каких-либо дополнительных объяснений.

«Связывание безмассовой частицы с небольшим пространством» — хорошая фраза для популярного обсуждения, но это не единственный способ представить механизм Хиггса.

Другая точка зрения исходит из того факта, что каждая частица внутри некоторого поля взаимодействия ведет себя точно так же, как изменилась ее энергия или импульс. Это понятие называется каноническим импульсом , в отличие от обычного (кинетического) импульса$m\vec{v}$. Например, в магнитном поле канонический импульс равен$\vec{P}=m\vec{v}+e\vec{A}$, а в статическом электрическом поле каноническая энергия равна$E=\tfrac{1}{2}mv^2+e\varphi$(эти формулы нерелятивистские). Последнее понимается проще всего, потому что мы привыкли называть$e\varphi$потенциальная энергия. На частицу действует сила, когда такой дополнительный член изменяется с пространственным положением.

Варианты этой идеи зависят от типа тензора поля взаимодействия. Электромагнитное поле является векторным полем, а поле Хиггса — скалярным полем. (Возможны и другие типы полей, например, гравитационное поле в ОТО является тензорным полем 2-го порядка.) Это приводит к важному факту: энергия и импульс изменяются в один и тот же множитель (в релятивистском смысле) , что равносильно изменению массы.$\vec{P}=m\gamma\vec{v}+\Delta m\,\gamma\vec{v}$а также$E=m\gamma c^2+\Delta m\,\gamma c^2$,$\Delta m=gh$куда$g$– константа связи.

Таким образом, всякий раз, когда какое-либо скалярное поле взаимодействия принимает ненулевое значение, частицы движутся так, как будто они приобрели некоторую массу. И поле Хиггса действительно имеет постоянное ненулевое значение по всей Вселенной,$h=h_0$. Таким образом, все частицы имеют свою массу Хиггса, и никакой явной массы, кроме нее, быть не может, что и предполагает теория.

Стандартный простой ответ (для стандартного поля бозона Хиггса ) заключается в том, что частица приобретает массу, проходя через это поле, которое изменяет инерцию частицы (таким образом появляется как приобретение массы, которая среди прочего является мерой инерции).

Конечно, стандартный бозон Хиггса все еще исследуется (если это стандартный бозон, а не какая-то вариация других предложений), и это не единственный способ рассуждать или объяснять, как он придает массу другим частицам.

Вы должны воспринимать это совершенно буквально. (Придирки по поводу поля Хиггса и бозона Хиггса ошибочны. Частицы не приобретают массы до тех пор, пока не появится бозон Хиггса, поэтому приписывание масс частиц бозону Хиггса столь же верно.)

Однако есть простой способ изобразить это. Концепция бозона Хиггса является совершенно общей, хотя в физике элементарных частиц обычно имеется в виду стандартная модель Хиггса. «Бозон Хиггса» появляется, когда система претерпевает фазовый переход, нарушающий некоторую симметрию.

Есть много примеров из физики твердого тела, где происходит то же самое. В сверхпроводнике, например, при критической температуре куперовские пары становятся бозонами «Хиггса», а частица, приобретающая массу, — фотон. Это знаменитая теория сверхпроводников БКШ. Сравните с теорией фазовых переходов Гинзбурга-Ландау, в которой потенциал разлагается по четным степеням поля).