Was würde passieren, wenn das Higgs-Feld Null wäre?

Das Higgs-Feld ist ein so wichtiges Thema, dass es sogar einen ganzen experimentellen Komplex verdient, den Large Hadron Collider, der entwickelt wurde, um es zu untersuchen. Dieses mysteriöse Feld ist im Durchschnitt ungleich Null, es bedeckt das gesamte Universum wie eine unsichtbare Flüssigkeit und beeinflusst die Massen bekannter Elementarteilchen. Aber was wäre, wenn es ein Durchschnitt von Null wäre? Wie würde unsere Welt sein?

Es wäre tödlich für uns - es wären keine Atome darin - aber in gewissem Sinne wäre es viel einfacher und besser organisiert. Mal sehen wie genau.


Abb. 2

Mach ein Bild. 2 aus einem Artikel über bekannte Partikel (sollte vor diesem Artikel gelesen werden). Es zeigt die bekannten Elementarteilchen der Natur und die Higgs aus dem Standardmodell. Linien zeigen an, welche Partikel sich gegenseitig beeinflussen. Sie können drei der vier bekannten Wechselwirkungen der Natur sehen (die Schwerkraft ist aus Gründen der Klarheit ausgeschlossen): starke Wechselwirkung (mit Gluonen als Träger), Elektromagnetismus (Träger - Photon), schwache Wechselwirkung (Träger - W und Z). Es ist ersichtlich, dass Neutrinos, geladene Leptonen und Quarks nicht direkt miteinander interagieren, sondern nur von Interaktionsträgern beeinflusst werden. Und schließlich beeinflusst das Higgs-Feld, das in unserem Universum ungleich Null ist und durch das grüne Feld angezeigt wird, alle bekannten massiven Elementarteilchen und ist tatsächlich für das Vorhandensein von Masse verantwortlich.


Abb. 3

Vergleichen Sie dies mit Abb. 3, die die Welt der Teilchen darstellt, die existieren würden, wenn das Higgs-Feld Null wäre. Beobachten Sie genau und Sie werden viele Unterschiede sehen!

• Anstelle der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen, die in unserer Welt mit einem Higgs-Feld ungleich Null bestehen, würden diese Kräfte in einer Welt mit einem Nullfeld neu verteilt und verzerrt. Umgewandelte Kräfte werden Hyperladung und Isospin genannt (aus historischen Gründen; die Namen haben keine Bedeutung).
• Während dieser Umlagerung ändern sich auch die Trägerpartikel der Wechselwirkungen. 3 Teilchen W und ein X erschienen und Z ⁰ und das Photon verschwanden. Und die Teilchen W und X sind jetzt masselos.
• Interaktionsträger sind in einem anderen Sinne einfacher geworden. Das Photon beeinflusst die Teilchen W ⁺ und W ^- direkt; Dies ist in Abb. 1 zu sehen. 2, wo sie durch eine violette Linie verbunden sind. Die Partikel von X beeinflussen jedoch nicht die direkten Partikel von W. Die Gluonen beeinflussen sich wie zuvor (die rot gekrümmte Linie; W beeinflusst sich auch selbst; X beeinflusst keine Wechselwirkungsträger).
• Für jedes Materieteilchen (außer Neutrinos) gibt es jetzt zwei gleichnamige Teilchen. Aber sie unterscheiden sich - genauso wie Arnold Palmer und Arnold Schwarzenegger. Die Physiker haben mehrere Benennungssysteme für sie entwickelt, aber der oberste Quark mit jedem Namen hat den gleichen „Geschmack“. Deshalb habe ich den Unterschied zwischen ihnen durch Drehen der Buchstaben nach rechts oder links markiert. Wir können sie oben links und oben rechts nennen.
• Alle linken Partikel kommen paarweise, ein Paar für jede Generation, und unterliegen dem Einfluss der Isospin-Wechselwirkung. Das Elektron entspricht Neutrino-e (Elektronenneutrino), dem oberen Quark - dem unteren Quark usw.
• Die Partikel auf der rechten Seite sind allein, eines für jede Generation, und Isospin beeinflusst sie nicht.
• Neutrino wurde nur gelassen.
• In Abb. 2 Ich habe Neutrino-1, Neutrino-2 und Neutrino-3 notiert, aber in Abb. 3 Ich benutze die Namen Elektronenelektronenneutrino, Myonenneutrino und Tau-Neutrino. Diese Subtilität kann ignoriert werden, wenn Sie sich nicht eingehend für das Thema interessieren. Ansonsten können Sie einen Artikel über die Arten von Neutrinos und ihre Schwingungen lesen.
• Alle abgebildeten Partikel sind masselos - mit Ausnahme der Higgs-Partikel, die bis zu vier sind! (Und dies ist das Minimum - im Standardmodell, in dem die einfachste Version von Higgs-Feldern verwendet wird, gibt es vier davon, aber im Prinzip kann alles komplizierter sein).

Wie wirkt sich ein Higgs-Feld ungleich Null auf diese einfachere und besser organisierte (aber für das Leben ungeeignete) Welt aus und verwandelt sie in unseren Komplex? Die Sache ist, wie das Higgs-Feld mit Trägern von Wechselwirkungen von Isospin und Hyperladung und mit Materieteilchen interagiert. Wie dies beispielsweise mit dem oberen Quark funktioniert, zeigt Abb. 4 und 5. Der obere linke Quark und der obere rechte Quark interagieren durch starke Wechselwirkung und das Higgs-Teilchen miteinander - jedoch nicht mit anderen Materieteilchen. Insbesondere wenn der obere linke Quark auf das Higgs-Teilchen trifft, wird er wahrscheinlich nach rechts oben. Sobald das Higgs-Feld ungleich Null wird, führt diese Wechselwirkung dazu, dass zwei Versionen der masselosen oberen Quarks zu einem massiven oberen Quark werden, der gleichzeitig eine große Masse aufweist.


Abb. 4

Die Verbindung der oberen linken mit der oberen rechten Seite sollte nicht mit der Vereinigung zweier Teilchen zu einem zusammengesetzten Objekt wie einem Proton und einem Elektron verwechselt werden, die durch elektromagnetische Kraft miteinander verbunden sind und ein Wasserstoffatom bilden. Dies ist eine andere Art der Kombination, bei der zwei Elementarteilchen zu einem Elementarteilchen gemischt werden.


Abb. 5

Wie funktioniert es In Abb. 5 zeigt dieses Diagramm. Wenn das Higgs-Feld Null ist, bewegt sich das obere linke Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit sowie das obere rechte Teilchen. Wenn das Feld jedoch nicht Null ist, führt seine Anwesenheit und die Tatsache, dass es mit den oberen linken und oberen rechten Partikeln interagiert, dazu, dass sich das obere linke Partikel in das obere rechte Teil verwandelt und umgekehrt. Wie oft wird das passieren? Ungefähr 100 Billionen Billionen (100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) pro Sekunde. Dieser Transformationsprozess macht es unmöglich, die linken oberen und rechten oberen Teilchen als separate Einheiten zu betrachten, da sie untrennbar miteinander verbunden sind. Wenn Sie eine haben, wird bald eine andere erscheinen. Sie werden nicht beide gleichzeitig haben, warum der obere Quark eher ein Elementarteilchen als ein zusammengesetztes Teilchen bleibt. Zusammen kann diese Mischung aus zwei Partikeln als oberer Quark bezeichnet werden. Und das Higgs-Feld ungleich Null, dessen Anwesenheit es zwischen dem oberen linken und oberen rechten Zustand springen lässt, versorgt diese Struktur auch mit innerer Energie, die auch in Ruhe verfügbar ist. Diese Energie ist von der Massenenergie nicht zu unterscheiden (E = mc ² ); In Experimenten verhält sie sich genauso. Mit anderen Worten, was wir die Energie der Masse des oberen Quarks nennen, ist tatsächlich die Energie, die von ihm empfangen wird, wenn sich das Higgs-Feld innerhalb eines Feldes ungleich Null befindet. Nehmen Sie das Higgs-Feld weg, machen Sie es auf Null, und der obere Quark kehrt in den Zustand von zwei getrennten masselosen Partikeln zurück, dem oberen linken und dem oberen rechten.

Das gleiche Phänomen gibt dem Elektron Masse, aber die Wechselwirkung der linken und rechten Elektronen mit dem Higgs-Feld ist sehr schwach, daher hat das Elektron in Gegenwart eines Higgs-Feldes ungleich Null eine Masse, die jedoch relativ klein ist. Die Schaltfrequenz zwischen dem linken und dem rechten Elektron beträgt 0,000003 der Schaltfrequenz zwischen dem oberen linken und dem oberen rechten Quark, daher erhalten wir (ein wenig Mathematik), dass die Elektronenmasse 0,000003 der Masse des oberen Quarks beträgt.


Abb. 6

Alle anderen Quarks und geladenen Leptonen erhalten ihre Massen auf ähnliche Weise. Je stärker die Wechselwirkung des linken und rechten Objekts mit Higgs ist, desto größer ist die resultierende Masse des gemischten Objekts mit einem Higgs-Feld ungleich Null.

Was ist mit Interaktionsträgern? Higgs beeinflusst keine Gluonen, sondern mischt Isospin und Hyperladung und erzeugt ein Photon aus einer Mischung von W ³ und X, Z ⁰ aus einer anderen Mischung von W ³ und X und ein Higgs-Teilchen namens A ⁰ sowie W ⁺ und W aus Gemischen von W ¹ , W ² , H ⁺ und H ^- . Dieser als Higgs-Mechanismus bezeichnete Prozess macht W ⁺ , W ^- und Z ⁰ massiv und lässt das Photon masselos.

Ja, deshalb bleibt die Welt mit einem Higgs-Feld ungleich Null mit einem Higgs-Teilchen (h), während die Welt mit einem Null-Feld 4 Teilchen hat - H ⁺ , H ^- , A ⁰ und H ⁰ . So wie die oberen linken und oberen rechten Quarks zu einem massiven oberen gemischt werden, mischen sich drei zusätzliche Higgs-Partikel mit drei Gemischen der masselosen Partikel W und X und bilden massive Z ⁰ , W ⁺ und W ^- !


Abb. 7

Die Wechselwirkung, deren Träger auf großen Entfernungen Masse hat, ist unwirksam, so dass uns die Atomkräfte so schwach erscheinen. Wenn das Higgs-Feld Null wäre, wären Isospin und Hyperladung gleich stark. Stattdessen gibt es in unserer Welt eine starke elektromagnetische Wechselwirkung mit einem masselosen Photon als Träger und eine schwache nukleare Wechselwirkung, die so schwach ist, dass sie praktisch keine Auswirkungen auf unser tägliches Leben hat - obwohl dies für den Betrieb von Sternfeuerstellen, einschließlich der solaren, notwendig ist!

Der Grund, warum die Welt so komplex aussieht, weil all diese Teilchen mit sehr unterschiedlichen Massen existieren, liegt teilweise in der Tatsache, dass das Higgs-Feld und das Higgs-Teilchen mit verschiedenen Materieteilchen mit sehr unterschiedlichen Stärken interagieren. Das Problem verschiedener Teilchenmassen ist also tatsächlich ein Problem unterschiedlicher Wechselwirkungsstärken mit dem Higgs-Feld / Teilchen. Warum sind diese Interaktionen so unterschiedlich? Über die Antwort auf diese Frage besteht kein Konsens (Teilchenphysik-Experten nennen sie das „Aromaproblem“ - sie sprechen von Quarkaromen sowie von Elektronen, Myonen und Tau-geladenen Leptonen mit unterschiedlichen Aromen). Wir hoffen, dass der LHC uns einige Antworten geben kann - dafür gibt es jedoch keine Garantie.

Es gibt noch eine Frage: Wie bekommen Neutrinos ihre Masse? Die Antwort ist, wir wissen es nicht genau. Eine der Möglichkeiten - die Existenz von rechtshändigen Neutrinos in der Natur - ist experimentell sehr schwer zu finden, da sie von keiner der drei in Abb. 1 gezeigten Wechselwirkungen beeinflusst wird. 2 und 3 - und der Mechanismus der Erfassung der Neutrinomasse ist der gleiche wie der anderer Teilchen. Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass linkshändige Neutrinos Masse durch indirekte Wechselwirkung mit einem Higgs-Teilchen erhalten, das mit anderen Teilchen nicht funktioniert. Viele meiner Kollegen neigen zur zweiten Option, da dies natürlich erklären würde, warum Neutrinos so viel leichter sind als Quarks und geladene Leptonen. Aber das ist eine lange Geschichte.

Ich werde auf einen wichtigen Punkt eingehen. Viele Menschen, die sich zuerst mit der Geschichte des Higgs-Feldes vertraut gemacht haben, schlagen vor, dass es irgendwie mit der Schwerkraft verbunden sein sollte, die auch mit schwereren Partikeln besser interagiert als mit weniger schweren. Die Schwerkraft zieht die oberen Quarks stärker als die Elektronen, wie die Higgs-Kräfte. Erfahrene Physiker lehnen eine solche Idee jedoch ab. Warum?

Unter dem Strich gibt es keine Ausnahmen für die Schwerkraft - die Schwerkraft zieht Partikel immer proportional zu ihrer Masse an. (Tatsächlich ist dies nicht ganz richtig - die Schwerkraft zieht Teilchen proportional zu ihren Energien an. Im täglichen Leben ist die Energie eines Objekts hauptsächlich die Energie der Masse, E = mc ² , also sind für Menschen, Steine ​​und Sterne Energie und Masse fast das genaue Verhältnis. Aber Schwerkraft und Licht biegen sich! Wenn die Schwerkraft nur Masse anzieht, zieht sie kein Licht an, das aus masselosen Photonen besteht.

Im Gegenteil, nur Teilchen, die Masse aus dem Higgs-Feld erhalten, haben eine Beziehung zwischen ihrer Masse und der Stärke der Wechselwirkung mit Higgs. Insbesondere, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. In den 3 und 7 erhält ein Higgs-Teilchen nicht seine gesamte Masse von einem Higgs-Feld ungleich Null - und seine Stärke der Wechselwirkung mit sich selbst steht nicht in direktem Zusammenhang mit seiner Masse. Es gibt eine Korrelation, aber keinen Anteil. Dies ist kein so seltener Fall. In meinen anderen Artikeln werden Sie viele Beispiele für hypothetische Teilchen sehen, die ihre Masse auf andere Weise erhalten - zum Beispiel Teilchen, die in Theorien wie Supersymmetrie oder zusätzlichen verschlungenen Messungen vorkommen.

Die Verbindung zwischen Schwerkraft und Energie (und damit Masse im Alltag) ist also absolut, während die Verbindung zwischen Higgs und Masse nur für bekannte Elementarteilchen bestehen sollte und möglicherweise nicht in anderen Elementarteilchen, die wir noch haben gefunden werden - aber eine solche Verbindung wird für das Higgs-Teilchen nicht mehr bestätigt.

Mit anderen Worten, jeder Zufall zwischen dem Higgs-Feld und der Schwerkraft ist rein zufällig!