Почему нам нужно поле Хиггса, чтобы заново объяснить массу, а не заряд?

На самом деле масса и заряд похожи только внешне. Да, они оба проявляются в законах силы обратных квадратов, а именно в законе тяготения Ньютона и законе электростатической силы Кулона, но оба они являются приближениями . Закон Кулона игнорирует квантовые эффекты, что является очень незначительным приближением, но закон Ньютона игнорирует всю теорию относительности, которая при определенных обстоятельствах имеет огромное значение. Истинные лежащие в основе теории, квантовая электродинамика и общая теория относительности, почти полностью различны.

Теперь, чтобы ответить на ваши вопросы напрямую (хотя, по общему признанию, это было бы намного проще объяснить с помощью математики):

Почему Хиггсу понадобилось ввести концепцию поля Хиггса для всей вселенной, чтобы определить массу на основе взаимодействия с ним? И никого не заботит заряд электрона (например), который также является основным атрибутом и константой?

Подумайте об этом: либо в ньютоновской гравитации, либо в общей теории относительности масса — это свойство, которое, как вы просто предполагаете, имеет объект. Ни одна из этих теорий не пытается объяснить, откуда берется масса объекта; масса — это просто то, что вы подставляете в уравнение для расчета траектории или силы.

Однако стандартная модель более амбициозна: она хочет действительно объяснять вещи, а не просто вводить их в теорию вручную. Все начинается с принципа локальной калибровочной инвариантности . Проведя математические вычисления, мы обнаружим, что следствия этого принципа соответствуют многим из тех свойств, которые, как мы знаем, имеют частицы. Например, одним из следствий локальной калибровочной инвариантности является наличие у некоторых частиц электрического заряда и существование электромагнитной силы. Другим следствием является то, что частицы имеют «цветовой заряд», что приводит к существованию сильного взаимодействия. Он предсказывает существование античастиц и правильных законов сохранения, определяющих, какие реакции элементарных частиц могут и не могут происходить в природе.

Но до того, как был открыт механизм Хиггса, стандартная модель не предсказывала массы. На самом деле, все предсказанные им частицы, которые почти во всех других отношениях в точности соответствуют известным частицам, были бы безмассовыми! Конечно, мы могли бы настроить стандартную модель, чтобы заставить частицы иметь массу, но для этого не было особой причины (кроме того факта, что мы знаем, что частицы имеют массу в реальной жизни). Не было простого принципа, который требовал бы, чтобы теория включала массу, подобно тому, как локальная калибровочная инвариантность требует, чтобы теория включала электрический заряд, цветовой заряд и т. д.

Хиггс и другие ученые (Андерсон, Браут, Энглерт, Гуральник, Хаген, Хиггс и Киббл) обнаружили, что принцип спонтанного нарушения симметрии делает именно это: он позволяет и фактически требует, чтобы частицы стандартной модели обладали масса. Изящно то, что он делает это только в сочетании с локальной калибровочной инвариантностью, но здесь это не имеет значения. Важно то, что когда вы добавляете к стандартной модели спонтанное нарушение симметрии, вы получаете частицы с массой там, где раньше были безмассовые частицы. Чтобы добавить спонтанное нарушение симметрии, вам нужно добавить поле, симметрия которого может быть нарушена. Вот откуда взялось поле Хиггса.

Еще раз, я выход из моей лиги в ответ на это. Я могу ошибаться во многих вещах здесь, комментарии приветствуются

Это было просто определение массы. Хиггс математически строгим образом объясняет, откуда берется масса покоя ( но не гравитация ).

Одной из попыток математически строго объяснить, как работает наша Вселенная, является Стандартная модель . Он пытается собрать все фундаментальные силы (кроме гравитации) под одним зонтиком вместе с частицами в всеобъемлющей теории, последовательно объясняющей субатомный мир.

Теория в ходе своего развития предсказала множество частиц, в том числе многие кварки,$W$а также$Z$бозоны и, конечно же, бозон Хиггса. Все, кроме бозона Хиггса{*}, подтверждены экспериментально.

Все эти частицы необходимы для работы теории. Хиггс — это результат аккуратного математического трюка (спонтанного нарушения симметрии), который приводит к расцвету концепции «массы».

Если бозон Хиггса не найден, вся теория не работает (или нуждается в значительной доработке). IIRC, СМ изначально предсказал безмассовый$W$частицы и имели несоответствия, которые были разрешены введением спонтанного нарушения симметрии. Первоначальное намерение ввести спонтанное нарушение симметрии (и, следовательно, бозон Хиггса) состояло в том, чтобы «исправить» эту проблему в электрослабом взаимодействии. С этой точки зрения, «хиггс делает частицы массивными» скорее побочный эффект, запоздалая мысль.

Масса не совсем сравнима с зарядом. Масса имеет два аспекта — гравитационный и инерционный. ЭМ силы являются «зарядовыми» аналогами гравитации, а для инерции такого аналога нет.

Как уже упоминал @David, приведенный выше раздел не совсем верен. Причина, по которой нам не нужна другая частица для заряда, заключается в том, что заряд уже объяснен СМ математически (тогда как без Хиггса масса покоя — это то, что мы просто предполагаем).

^{* На сегодняшний день это, вероятно, изменилось — частица, похожая на Хиггс Стандартной модели, была обнаружена ЦЕРН.}