Que se passerait-il si le champ Higgs était nul

Le champ de Higgs est un sujet tellement important qu'il mérite même tout un complexe expérimental, le Large Hadron Collider, conçu pour l'étudier. Ce champ mystérieux est en moyenne non nul, il couvre tout l'Univers, comme un liquide invisible, et affecte les masses de particules élémentaires connues. Et si c'était une moyenne de zéro? À quoi ressemblerait notre monde?

Ce serait mortel pour nous - il n'y aurait pas d'atomes - mais dans un certain sens, ce serait beaucoup plus simple et mieux organisé. Voyons comment exactement.


Fig. 2

Prenez une photo. 2 extrait d'un article sur les particules connues (à lire avant cet article). Il représente les particules élémentaires bien connues de la nature et les Higgs du modèle standard. Les lignes indiquent les particules qui s'influencent mutuellement. Vous pouvez voir trois des quatre interactions connues de la nature (la gravité est exclue pour plus de clarté): interaction forte (avec des gluons comme porteurs), électromagnétisme (porteur - photon), interaction faible (porteurs - W et Z). On peut voir que les neutrinos, les leptons chargés et les quarks n'interagissent pas directement les uns avec les autres, ils ne sont affectés que par les porteurs d'interaction. Et enfin, le champ de Higgs, non nul dans notre Univers, indiqué par le champ vert, affecte toutes les particules élémentaires massives connues, et, en fait, est responsable de la présence de masse.


Fig. 3

Comparez cela avec la fig. 3, qui représente le monde des particules qui existeraient si le champ de Higgs était nul. Regardez attentivement et vous verrez de nombreuses différences!

• Au lieu des interactions électromagnétiques et faibles existant dans notre monde avec un champ de Higgs non nul, dans un monde avec un champ nul ces forces seraient redistribuées et déformées. Les forces converties sont appelées hypercharge et isospin (pour des raisons historiques; les noms n'ont aucune signification).
• Au cours de ce réarrangement, les particules porteuses des interactions changent également. 3 particules W et 1 X sont apparues, et Z ⁰ et le photon ont disparu. Et les particules W et X sont maintenant sans masse.
• Les transporteurs d'interaction sont devenus plus faciles dans un autre sens. Le photon affecte directement les particules W ⁺ et W ^- ; cela se voit sur la fig. 2, où ils sont reliés par une ligne violette. Mais les particules de X n'affectent pas le direct sur les particules de W. Les gluons s'affectent, comme auparavant (la ligne courbe rouge; W s'affectent également eux-mêmes; X n'affecte aucun porteur d'interactions.
• Pour chaque particule de matière (sauf les neutrinos), il y a maintenant deux particules du même nom. Mais ils diffèrent - autant qu'Arnold Palmer et Arnold Schwarzenegger. Les physiciens ont mis au point plusieurs systèmes de nommage pour eux, mais le quark supérieur avec n'importe quel nom sera de la même «saveur», j'ai donc marqué la différence entre eux en tournant les lettres vers la droite ou la gauche. On peut les appeler en haut à gauche et en haut à droite.
• Toutes les particules gauches viennent par paires, une paire pour chaque génération, et sont sujettes à l'influence de l'interaction isospin. L'électron correspond au neutrino-e (neutrino électronique), le quark supérieur - le quark inférieur, etc.
• Les particules de droite sont seules, une pour chaque génération, et l'isospine ne les affecte pas.
• Neutrino n'a été laissé que.
• Dans la fig. 2 J'ai noté neutrino-1, neutrino-2 et neutrino-3, mais sur la fig. 3 J'utilise les noms électron électron neutrino, muon neutrino et tau neutrino. Cette subtilité peut être ignorée si vous n'êtes pas intéressé par le sujet en profondeur. Sinon, vous pouvez lire un article sur les types de neutrinos et leurs oscillations.
• Toutes les particules représentées seront sans masse - à l'exception des particules de Higgs, qui seront jusqu'à quatre! (Et c'est le minimum - dans le modèle standard, où la version la plus simple des champs de Higgs est utilisée, il y en a quatre, mais en principe, tout peut être plus compliqué).

Comment un champ de Higgs non nul affecte-t-il ce monde plus simple et mieux organisé (mais inadapté à la vie) et le transforme-t-il en notre complexe? La chose est de savoir comment le champ de Higgs interagit avec les porteurs d'interactions d'isospin et d'hypercharge, et avec des particules de matière. Comment cela fonctionne, par exemple, avec le quark supérieur, est illustré à la Fig. 4 et 5. Le quark supérieur gauche et le quark supérieur droit interagissent l'un avec l'autre par une forte interaction et la particule de Higgs - mais pas avec d'autres particules de matière. En particulier, si le quark supérieur gauche rencontre la particule de Higgs, il est susceptible de se transformer en haut à droite. Dès que le champ de Higgs devient non nul, cette interaction conduira au fait que deux versions des quarks supérieurs sans masse se transforment en une seule masse supérieure, qui en même temps a une grande masse.


Fig. 4

La connexion de la partie supérieure gauche avec la partie supérieure droite ne doit pas être confondue avec l'union de deux particules en un objet composite, tel qu'un proton et un électron, reliés entre eux par une force électromagnétique et formant un atome d'hydrogène. Il s'agit d'un autre type de combinaison dans laquelle deux particules élémentaires sont mélangées en une seule particule élémentaire.


Fig. 5

Comment ça marche? Dans la fig. 5 montre ce schéma. Lorsque le champ de Higgs est nul, la particule supérieure gauche se déplace à la vitesse de la lumière, ainsi que la partie supérieure droite. Mais lorsque le champ n'est pas égal à zéro, sa présence et le fait qu'il interagit avec les particules en haut à gauche et en haut à droite feront que la particule en haut à gauche deviendra en haut à droite, et vice versa. À quelle fréquence cela se produira-t-il? Environ 100 billions de milliards (100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) par seconde. Ce processus de transformation rend impossible de considérer les particules supérieures gauche et supérieure droite comme des entités distinctes, car elles sont inextricablement liées; si vous en avez un, un autre apparaîtra bientôt. Vous n'aurez pas les deux en même temps, pourquoi le quark supérieur reste une particule élémentaire plutôt que composite. Ensemble, ce mélange de deux particules peut être appelé le quark supérieur. Et le champ de Higgs non nul, dont la présence le fait sauter entre les états supérieur gauche et supérieur droit, fournit également à cette structure une énergie interne, qui est disponible même au repos. Cette énergie est indiscernable de l'énergie de masse (E = mc ² ); dans les expériences, elle se comporte exactement de la même manière. En d'autres termes, ce que nous appelons l'énergie de la masse du quark supérieur est, en fait, l'énergie reçue par lui lorsque le champ de Higgs est à l'intérieur d'un champ non nul. Supprimez le champ de Higgs, mettez-le à zéro et le quark supérieur reviendra à l'état de deux particules sans masse distinctes, la partie supérieure gauche et la partie supérieure droite.

Le même phénomène donne de la masse à l'électron, mais l'interaction des électrons gauche et droit avec le champ de Higgs est très faible, donc, en présence d'un champ de Higgs non nul, l'électron a une masse, mais relativement petite. La fréquence de commutation entre les électrons gauche et droit est de 0,000003 de la fréquence de commutation entre les quarks supérieurs gauche et supérieur droit, par conséquent (un peu de mathématiques s'appliquent), nous obtenons que la masse électronique est de 0,000003 de la masse du quark supérieur.


Fig. 6

Tous les autres quarks et leptons chargés reçoivent leurs masses de la même manière. Plus l'interaction des objets gauche et droit avec Higgs est forte, plus la masse résultante de l'objet mixte avec un champ Higgs non nul est grande.

Et les porteurs d'interaction? Higgs n'affecte pas les gluons, mais mélange isospin et hypercharge, créant un photon à partir d'un mélange de W ³ et X, Z ^{0 à} partir d'un autre mélange de W ³ et X, et une particule de Higgs appelée A ⁰ , ainsi que W ⁺ et W à partir de mélanges de W ¹ , W ² , H ⁺ et H ^- . Ce processus, appelé mécanisme de Higgs, rend W ⁺ , W ^- et Z ⁰ massifs, laissant le photon sans masse.

Oui, c'est pourquoi le monde avec un champ Higgs non nul reste avec une particule Higgs (h), tandis que le monde avec un champ zéro a 4 particules - H ⁺ , H ^- , A ⁰ et H ⁰ . Tout comme les quarks supérieur gauche et supérieur droit sont mélangés pour former un massif supérieur, trois particules de Higgs supplémentaires se mélangent avec trois mélanges de particules sans masse W et X, formant des Z ⁰ , W ⁺ et W ^- massifs!


Fig. 7

L'interaction, dont le porteur a de la masse, sur de longues distances est inefficace, donc les forces nucléaires nous semblent si faibles. Si le champ de Higgs était nul, l'isospin et l'hypercharge seraient également forts. Au lieu de cela, dans notre monde, il y a une forte interaction électromagnétique avec un photon sans masse en tant que porteur, et une interaction nucléaire faible, si faible qu'elle n'a pratiquement aucun effet sur notre vie quotidienne - bien que, cependant, elle soit nécessaire pour le fonctionnement des chambres de combustion d'étoiles, y compris celle solaire!

La raison pour laquelle le monde semble si complexe, car toutes ces particules de masses très différentes existent, est en partie due au fait que le champ de Higgs et la particule de Higgs interagissent avec différentes particules de matière avec des forces très différentes. Ainsi, le problème des diverses masses de particules est en fait un problème de différentes forces d'interaction avec le champ / particule de Higgs. Pourquoi ces interactions sont-elles si différentes? Il n'y a pas de consensus sur la réponse à cette question (les experts en physique des particules l'appellent le «problème d'arôme» - en parlant des arômes de quarks et d'électrons, de muons et de leptons chargés de tau avec différents arômes). Nous espérons que certaines réponses pourront nous être fournies par le LHC - mais il n'y a aucune garantie pour cela.

Il y a encore une question - comment les neutrinos obtiennent-ils leur masse? La réponse est que nous ne savons pas avec certitude. L'une des possibilités - l'existence de neutrinos droitiers dans la nature - est très difficile à trouver expérimentalement, car elle n'est affectée par aucune des trois interactions illustrées à la Fig. 2 et 3 - et le mécanisme d'acquisition de la masse de neutrinos est le même que celui des autres particules. La deuxième possibilité est que les neutrinos gauchers reçoivent de la masse de l'interaction indirecte avec une particule de Higgs, qui ne fonctionne pas avec d'autres particules. Beaucoup de mes collègues sont enclins à la deuxième option, car cela expliquerait naturellement pourquoi les neutrinos sont tellement plus légers que les quarks et les leptons chargés. Mais c'est une longue histoire.

Je terminerai sur un point important. Beaucoup de gens, ayant d'abord fait connaissance avec l'histoire du champ de Higgs, suggèrent qu'il devrait être en quelque sorte lié à la gravité, qui interagit également mieux avec des particules plus lourdes qu'avec des particules moins lourdes. La gravité tire les quarks supérieurs plus fortement que les électrons, comme les forces de Higgs. Mais les physiciens expérimentés rejettent une telle idée. Pourquoi?

L'essentiel est qu'il n'y a pas d'exception pour la gravité - la gravité attire toujours les particules proportionnellement à leur masse. (En fait, ce n'est pas entièrement vrai - la gravité attire les particules proportionnellement à leurs énergies. Dans la vie de tous les jours, l'énergie de tout objet est principalement l'énergie de la masse, E = mc ² , donc pour les personnes, les pierres et les étoiles, l'énergie et la masse sont presque Mais la gravité et la lumière se plient! Si la gravité n'attirait que la masse, elle n'attirerait pas la lumière constituée de photons sans masse).

Au contraire, seules les particules recevant une masse du champ de Higgs ont une relation entre leur masse et la force d'interaction avec Higgs. En particulier, comme on peut le voir sur la Fig. 3 et 7, une particule de Higgs ne reçoit pas toute sa masse d'un champ de Higgs non nul - et sa force d'interaction avec elle-même n'est pas directement liée à sa masse. Il y a une corrélation, mais pas une proportion. Ce n'est pas un cas si rare. Dans mes autres articles, vous verrez de nombreux exemples de particules hypothétiques qui obtiennent leur masse d'une manière différente - par exemple, des particules apparaissant dans des théories telles que la supersymétrie ou des mesures alambiquées supplémentaires.

Ainsi, le lien entre la gravité et l'énergie (et donc la masse dans la vie quotidienne) est absolu, alors que le lien entre Higgs et la masse ne devrait exister que pour les particules élémentaires connues, et il se peut qu'il ne se trouve pas dans d'autres particules élémentaires, que nous avons encore à trouver - mais une telle connexion n'est plus confirmée pour la particule de Higgs.

En d'autres termes, toute coïncidence entre le champ de Higgs et la gravité sera purement aléatoire!