Почему глюоны считаются безмассовыми?

Проще говоря, бозон Хиггса не заряжается под воздействием сильного взаимодействия. Он также не имеет стандартного электрического заряда. $W^{\pm},Z$бозоны приобретают массу через механизм Хиггса, потому что сам Хиггс заряжается под действием слабого взаимодействия. Лептоны приобретают массу через механизм Хиггса, потому что они тоже взаимодействуют с бозоном Хиггса.

Отсутствие взаимодействия Хиггса означает отсутствие эффективной массы.

Вы спрашиваете, почему бозон Хиггса не взаимодействует с глюонами. Это связано с квантовыми числами (зарядами) элементарных частиц в стандартной модели. Оказывается, вам не разрешено свободно выбирать квантовые числа для разных частиц. Если бы вы сделали неверный выбор, вы бы нарушили калибровочную инвариантность и получили бы противоречивую теорию. Это накладывает относительно строгие ограничения на разрешенные квантовые числа. проверьте Gauge Anomaly для более подробной информации.

По сути, известные квантовые числа других частиц стандартной модели ограничивают разрешенные квантовые числа бозона Хиггса, в частности запрещая взаимодействие глюона и бозона Хиггса. если бы вы хотели добавить это взаимодействие, вы обязательно подразумевали бы существование других частиц, чтобы уравновесить все обвинения теории. Я не знаю, возможно ли это, но это вопрос простой алгебры, чтобы понять это.

Следует иметь в виду, что стандартная модель, имеющая структуру SU(3)xSU(2)xU(1), называется стандартной, потому что она очень хорошо описывает огромное количество данных о частицах и успешно предсказывает новые явления. эксперименты. Как Люк Дж. Бурхис исследует в своем ответе, это не мешает теоретикам выходить за рамки стандартных модельных теорий.

Стандартная модель представляет собой модель теории квантового поля, что означает, что она имеет точные предсказания для оценки диаграмм Фейнмана, которые будут использоваться для подгонки или предсказания экспериментальных данных. В его математической структуре нет простой вершины, т.е. низшего порядка (петли более высокого порядка могут давать взаимодействие) между электрослабыми бозонами (W, Z, γ) стола и глюоном.

Таким образом, по построению математики модели глюон не «видит» поле Хиггса. Поскольку само существование концепции глюона зависит от математики стандартной модели, наша «вера» в стандартную модель означает безмассовые глюоны. Существуют и другие теории помимо стандартной модели, которые могут дать связь ( пример ), но они выходят за рамки стандартной модели. Будьте уверены, что эксперименты будут проверять любые расхождения со стандартной моделью, которые могут быть связаны с массивным глюоном.

Вопрос в комментарии:

Не могли бы вы пояснить, как вы перешли от слабых бозонов к полю Хиггса?

Это связано с тем, что диаграммы Фейнмана формулируются по определенным правилам для полей всех элементарных частиц в таблице, включая поле Хиггса. Итак, на простой диаграмме ee-рассеяния

операторы рождения/уничтожения электрона действуют последовательно на поле электрона, когда созданный электрон взаимодействует с полем фотона, а операторы рождения фотона создают виртуальный фотон, который взаимодействует с полем электрона и создает уходящий электрон.

Таким образом, в теории поля вершинная константа связи должна существовать с полем, чтобы могло произойти взаимодействие, и в этом случае мог быть сгенерирован фотон.

Из-за нулевой массы нет константы связи для вершинного глюонного поля Хиггса, чтобы генерировать виртуальный Хиггс и продолжать оттуда. Только высшие кварковые петли могут действовать , т.е. приклеивать к q q_bar, виртуальную петлю Хиггса Мезон Хиггса из слияния глюонов.

Редактировать после редактирования OP:

Это нормально для бозона Хиггса , но не для поля Хиггса .

Хиггс имеет слабый заряд и поэтому взаимодействует с бозонами W и Z, придавая им массу. Хиггс не имеет электрического или цветового заряда и поэтому не взаимодействует с фотоном или глюоном, оставляя их безмассовыми.

Масса, которую приобретают элементарные частицы таблицы СМ, происходит от взаимодействия с ПОЛЕМ Хиггса , а не с бозоном Хиггса. Бозон Хиггса — это еще одна массивная частица в таблице элементарных частиц:

Это единственные массы, которые генерирует поле Хиггса . включая сам бозон Хиггса. Все остальные массы происходят из специальных соотношений относительности, инвариантной массы добавленных четырех векторов составных частиц.

Стандартная модель имеет лагранжиан, описывающий SU (3) x SU (2) x U (1) экспериментально наблюдаемые симметрии в данных о частицах, и любое сравнение зависит от расчетов диаграммы фейнмана в рамках этой модели, где существуют строгие правила для обмена вершинами.

Каждая элементарная частица в таблице определяет поле в четырехмерном пространстве, и рассматривается частица и возбуждение по этому полю. Электрон — это возбуждение электронного поля, бозон Хиггса — это возбуждение поля Хиггса.

Элементарные частицы в таблице не приобретают массу, обмениваясь чем-либо в виде диаграмм Фейнмана. Масса приобретается один раз, во время нарушения симметрии электрослабых взаимодействий, когда три связи приближаются друг к другу:

когда связи слабого и электромагнитного изменяются за счет поля Хиггса. Чтобы убедиться в этом, нужно изучить математически, но факт в том, что стандартная модель, известная сейчас, описывает практически все данные по физике элементарных частиц и очень хорошо предсказывает новые, как показывает опыт БАК.

Глюоны безмассовы по своей конструкции, как фотон, и как Z и W были безмассовыми до нарушения симметрии.

Опять же, именно поле Хиггса придает массу элементарным частицам, а не бозон.

Я не согласен с @Mr.Weather. В конце концов, все теоретические аргументы не выдерживают никакой критики. У нас вполне может быть очень маленькая масса глюона, которая сильно разрушит математическую красоту Стандартной модели, но с достаточно небольшими последствиями, которых мы еще не заметили. Окончательный судья - эксперимент. Все более точные эксперименты. Давайте тогда посмотрим, как мы можем придать глюонам массу.

0. Предостережение: основная масса против эффективной массы

Глюоны, как и кварки, действительно приобретают эффективную массу благодаря динамике КХД: наивно они наряжаются облаками глюонов. Учет такой массы глюона порядка 1 ГэВ оказался важным для объяснения экспериментальных результатов распада$J/Psi\to gg\gamma$и подобные распады$\Upsilon$. Это отличается от фундаментальной массы, которая появляется на уровне лагранжиана теории (и на самом деле эта эффективная масса зависит от конкретного рассматриваемого процесса). Вы явно спрашиваете о последнем, но я хотел прояснить это.

1. Голая масса

Прежде чем я отвечу на ваш вопрос о механизме Хиггса, я должен упомянуть, что мы могли бы добавить массовый член в КХД «вручную». Теоретики презирают это решение, потому что мы нарушаем локальную калибровочную симметрию и перенормируемость, но, опять же, природа будет окончательным судьей в этом вопросе. Но, честно говоря, перенормируемость — это большое дело. Теоретики проводят множество пертурбативных вычислений. Допустим, константа связи теории равна$\alpha$. Можно вычислить условия порядка$\alpha$, тогда$\alpha^2$,$\alpha^3$и т. д., требующих все больше и больше работы, но это уже другая история: это пертурбативные вычисления. В неперенормируемой теории обычно каждый порядок вводит новые константы, которые необходимо подгонять под экспериментальные данные. И да, это означает, что в конце концов в теории существует бесконечное количество неизвестных констант. В перенормируемой теории дело обстоит иначе: существует лишь конечное и небольшое число констант, о которых мы знаем заранее и которые не меняются, когда мы продвигаемся вверх по пертурбативной лестнице порядок за порядком. Таким образом, перенормируемая теория обычно обладает гораздо большей предсказательной силой. Так что да, в Стандартной модели есть все связи с бозоном Хиггса, которые неизвестны, и матрицы смешивания между кварками и ароматами нейтрино, которые также неизвестны, но, по крайней мере, они у нас есть раз и навсегда.

2. Цветной Хиггс

Механизм Хиггса можно настроить, чтобы придать массу глюону. На самом деле возможностей довольно много. Они слишком технические для меня, чтобы попытаться объяснить. Достаточно сказать, что эти решения имеют более одного поля Хиггса, которые несут номер цвета. Некоторые из них предсказывают как массивные, так и безмассовые глюоны. Такие модели априори более привлекательны, поскольку сохраняют перенормируемость.

Одна из проблем с такими моделями заключается в следующем: так называемый бег константы связи КХД, обозначаемый$\alpha_S$. Проще говоря,$\alpha_S$зависит от шкалы энергии$\mu$процесса: растет по мере$\mu$уменьшается. Это объясняет, почему взаимодействие так сильно при низких энергиях в связанных состояниях, таких как мезоны и барионы, и почему оно довольно слабо при высоких энергиях, при энергиях LHC, например, явление, называемое асимптотической свободой (т. е. кварки становятся все более свободными по мере увеличения масштаба энергии). увеличивается). Насколько оно уменьшится, зависит от числа частиц, способных испытать сильное взаимодействие. Очень хорошо проверено экспериментально, что изменение$\alpha_S$совместим с 5 кварками больше массы кварка$b$(верхний кварк распадается слишком быстро, чтобы играть какую-либо роль) и 4 кварка между кварком$c$а также$b$. Но теперь мы добавляем к этому количеству бозоны Хиггса. Это исключает легкий Хиггс. Хуже того, связь бозона Хиггса с самим собой растет с ростом энергии, и, поскольку теперь кварки могут взаимодействовать через этот бозон Хиггса, это может легко нарушить саму асимптотическую свободу КХД, которая фантастически хорошо проверена.

3. Композитный Хиггс

Есть также модели, в которых бозон Хиггса является составным. Конденсат фермионов, который испытывает другое калибровочное взаимодействие, чем в Стандартной модели. Таким образом, калибровочная симметрия будет стандартной моделью.$SU(3)_c\times SU(2)_L\times U(1)_Y$но потом$\times SU(2)_{c'}$и было бы два новых фермиона, которые были бы единственными для$SU(2)_L$но, по крайней мере, они связаны с глюоном, как обычные кварки, и, конечно же, связаны с новым калибровочным взаимодействием. Один из примеров можно найти в [2], где делается вывод, что на самом деле он предсказывает слишком большую массу глюона.

4. Эксперимент

В любом случае последнее слово остается за измерениями. Есть пара эффектов, которые искали. Сначала с массой$m_g$для глюона потенциал сильного взаимодействия становится практически равным нулю на расстояниях$r>1/m_g$тогда как ниже он растет линейно с$r$. Таким образом, существует потенциальный барьер при энергии$E_*$пропорциональна$m_g$. Следовательно, при достаточно энергичных столкновениях мы сможем заставить кварки в протонах преодолевать этот барьер. Или кварки могут туннелировать сквозь барьер, делая протон нестабильным. Последний аргумент космологический: в начале Большого взрыва кварки бродили на свободе. Когда энергия опускается ниже$E_*$, некоторые кварки будут ограничены, но некоторые останутся вне потенциальных барьеров, если они будут дальше, чем$1/m_g$от другого. Так что у нас должны быть бесплатные кварковые реликвии. Я цитирую здесь по памяти статью Индурайна [1], которая цитируется в обзорах Particle Data Group. Он довольно старый и предшествует теоретическим идеям, которые я развивал в пунктах 2) и 3) выше. Беглый взгляд на базу данных препринтов arXiv включает [2], которая ставит перед собой цель обновить [1] на самом деле, и которая делает обзор моделей, о которых я писал в 2).

[1] Ф. Дж. Индурайн. Пределы на массу глюона. Письма по физике B, 345 (4): 524–526, 1995.

[2] https://arxiv.org/abs/1005.0850v1