Apa yang akan terjadi jika bidang Higgs nol

Bidang Higgs adalah topik yang sangat penting sehingga bahkan layak untuk keseluruhan kompleks eksperimental, Large Hadron Collider, yang dirancang untuk mempelajarinya. Medan misterius ini rata-rata non-nol, mencakup seluruh alam semesta, seolah-olah cairan tak terlihat, dan memengaruhi massa partikel elementer yang diketahui. Tetapi bagaimana jika rata-rata nol? Seperti apa dunia kita nantinya?

Itu akan mematikan bagi kita - tidak akan ada atom di dalamnya - tetapi dalam arti tertentu itu akan jauh lebih sederhana dan lebih terorganisir. Mari kita lihat bagaimana tepatnya.


Fig. 2

Ambil foto. 2 dari artikel tentang partikel yang diketahui (harus dibaca sebelum artikel ini). Ini menggambarkan partikel elementer alam yang terkenal dan Higgs dari Model Standar. Garis menunjukkan partikel mana yang saling mempengaruhi. Anda dapat melihat tiga dari empat interaksi alam yang diketahui (gravitasi dikecualikan untuk kejelasan): interaksi yang kuat (dengan gluon sebagai pembawa), elektromagnetisme (pembawa - foton), interaksi lemah (pembawa - W dan Z). Dapat dilihat bahwa neutrino, lepton bermuatan, dan quark tidak berinteraksi langsung satu sama lain, mereka hanya dipengaruhi oleh pembawa interaksi. Dan akhirnya, medan Higgs, bukan nol di Semesta kita, ditunjukkan oleh medan hijau, memengaruhi semua partikel elementer masif yang diketahui, dan, pada kenyataannya, bertanggung jawab atas keberadaan massa.


Fig. 3

Bandingkan ini dengan ara. 3, yang menggambarkan dunia partikel yang akan ada jika medan Higgs nol. Perhatikan dengan cermat dan Anda akan melihat banyak perbedaan!

• Alih-alih interaksi elektromagnetik dan lemah yang ada di dunia kita dengan medan Higgs yang tidak nol, di dunia dengan medan nol, gaya-gaya ini akan didistribusikan dan terdistorsi. Kekuatan yang dikonversi disebut hypercharge dan isospin (karena alasan historis; nama-nama tidak membawa arti).
• Selama penataan ulang ini, partikel pembawa interaksi juga berubah. 3 partikel W dan satu X muncul, dan Z ⁰ dan foton menghilang. Dan partikel W dan X sekarang tanpa massa.
• Pembawa interaksi menjadi lebih mudah dalam arti lain. Foton mempengaruhi partikel W ⁺ dan W ^- secara langsung; ini terlihat dalam gambar. 2, di mana mereka terhubung oleh garis ungu. Tetapi partikel X tidak mempengaruhi langsung pada partikel W. Gluon mempengaruhi diri mereka sendiri seperti sebelumnya (garis lengkung merah; W juga mempengaruhi diri mereka sendiri; X tidak mempengaruhi pembawa interaksi.
• Untuk setiap partikel materi (kecuali neutrino) sekarang ada dua partikel dengan nama yang sama. Tetapi mereka berbeda - sama seperti Arnold Palmer dan Arnold Schwarzenegger. Fisikawan telah membuat beberapa sistem penamaan untuk mereka, tetapi kuark atas dengan nama apa pun akan memiliki "rasa" yang sama, jadi saya menandai perbedaan di antara mereka dengan memutar huruf ke kanan atau kiri. Kita dapat memanggil mereka kiri atas dan kanan atas.
• Semua partikel kiri datang berpasangan, satu pasang untuk setiap generasi, dan tunduk pada pengaruh interaksi isospin. Elektron sesuai dengan neutrino-e (elektron neutrino), kuark atas - kuark bawah, dll.
• Partikel-partikel di sebelah kanan adalah sendirian, satu untuk setiap generasi, dan isospin tidak memengaruhi mereka.
• Neutrino hanya tersisa.
• Dalam gambar. 2 Saya mencatat neutrino-1, neutrino-2 dan neutrino-3, tetapi dalam gambar. 3 Saya menggunakan nama electron electron neutrino, muon neutrino, dan tau neutrino. Kehalusan ini dapat diabaikan jika Anda tidak tertarik dengan topik secara mendalam. Kalau tidak, Anda dapat membaca artikel tentang jenis neutrino dan osilasi mereka.
• Semua partikel yang digambarkan tidak memiliki massa - kecuali untuk partikel Higgs, yang akan berjumlah empat! (Dan ini adalah minimum - dalam Model Standar, di mana versi paling sederhana dari bidang Higgs digunakan, ada empat dari mereka, tetapi pada prinsipnya, semuanya bisa lebih rumit).

Bagaimana medan non-nol Higgs memengaruhi dunia yang lebih sederhana dan lebih terorganisir ini (tetapi tidak cocok untuk kehidupan), dan mengubahnya menjadi kompleks kita? Masalahnya adalah bagaimana medan Higgs berinteraksi dengan pembawa interaksi isospin dan hypercharge, dan dengan partikel materi. Bagaimana ini bekerja, misalnya, dengan kuark atas, ditunjukkan pada Gambar. 4 dan 5. Kuark kiri atas dan quark kanan atas berinteraksi satu sama lain melalui interaksi yang kuat dan partikel Higgs - tetapi tidak dengan partikel materi lainnya. Secara khusus, jika quark kiri atas memenuhi partikel Higgs, itu kemungkinan akan berubah menjadi kanan atas. Segera setelah bidang Higgs menjadi nol, interaksi ini akan mengarah pada fakta bahwa dua versi dari quark atas tanpa massa berubah menjadi satu atas besar, yang pada saat yang sama memiliki massa besar.


Fig. 4

Sambungan kiri atas dengan kanan atas tidak boleh disamakan dengan penyatuan dua partikel menjadi benda komposit, seperti proton dan elektron, dihubungkan bersama oleh gaya elektromagnetik dan membentuk atom hidrogen. Ini adalah jenis kombinasi lain di mana dua partikel elementer dicampur menjadi satu partikel elementer.


Fig. 5

Bagaimana cara kerjanya? Dalam gbr. 5 menunjukkan diagram ini. Ketika bidang Higgs adalah nol, partikel kiri atas akan bergerak dengan kecepatan cahaya, serta kanan atas. Tetapi ketika bidang tidak sama dengan nol, keberadaannya dan fakta bahwa ia berinteraksi dengan partikel kiri atas dan kanan atas akan menyebabkan partikel kiri atas berubah menjadi kanan atas, dan sebaliknya. Seberapa sering ini akan terjadi? Sekitar 100 trilyun trilyun (100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) per detik. Proses transformasi ini membuat mustahil untuk menganggap partikel kiri atas dan kanan sebagai entitas yang terpisah, karena mereka terkait erat; jika Anda memilikinya, maka yang lain akan segera muncul. Anda tidak akan memiliki keduanya pada saat yang sama, mengapa kuark atas tetap menjadi partikel elementer daripada komposit. Bersama-sama, campuran dua partikel ini bisa disebut quark atas. Dan bidang Higgs yang tidak nol, yang kehadirannya membuatnya melompat antara status kiri atas dan kanan atas, juga menyediakan struktur ini dengan energi internal, yang tersedia bahkan saat istirahat. Energi ini tidak dapat dibedakan dari energi massa (E = mc ² ); dalam eksperimen, dia berperilaku dengan cara yang persis sama. Dengan kata lain, apa yang kita sebut energi dari massa quark atas, sebenarnya, adalah energi yang diterima ketika medan Higgs berada di dalam medan bukan-nol. Singkirkan bidang Higgs, jadikan nol, dan kuark atas akan kembali ke keadaan dua partikel tak bermassa yang terpisah, kiri atas dan kanan atas.

Fenomena yang sama memberikan massa pada elektron, tetapi interaksi elektron kiri dan kanan dengan medan Higgs sangat lemah, oleh karena itu, di hadapan medan Higgs bukan-nol, elektron memiliki massa, tetapi relatif kecil. Frekuensi switching antara elektron kiri dan kanan adalah 0,000003 dari frekuensi switching antara quark kiri atas dan kanan, oleh karena itu (sedikit matematika berlaku) kita dapatkan bahwa massa elektron adalah 0,000003 dari massa kuark atas.


Fig. 6

Semua quark dan lepton bermuatan lainnya menerima massa mereka dengan cara yang sama. Semakin kuat interaksi objek kiri dan kanan dengan Higgs, semakin besar massa yang dihasilkan dari objek campuran dengan bidang Higgs yang tidak nol.

Bagaimana dengan operator interaksi? Higgs tidak memengaruhi gluon, tetapi mencampurkan isospin dan hypercharge, menciptakan foton dari campuran W3 dan X, Z0 dari campuran W3 dan X lainnya, dan partikel Higgs yang disebut ^A0 , dan juga W ⁺ dan W dari campuran W1 , W ² , H ⁺ dan H ^- . Proses ini, yang disebut mekanisme Higgs, membuat W ⁺ , W ^- dan Z0 masif, meninggalkan foton tak bermassa.

Ya, itulah sebabnya dunia dengan medan Higgs yang tidak nol tetap dengan satu partikel Higgs (h), sedangkan dunia dengan medan nol memiliki 4 partikel - H ⁺ , H ^- , A ⁰ dan H ⁰ . Sama seperti quark kiri dan kanan atas dicampur untuk membentuk yang atas besar, tiga partikel Higgs tambahan bercampur dengan tiga campuran partikel tak bermassa W dan X, membentuk masif Z ⁰ , W ⁺ dan W ^- !


Fig. 7

Interaksi, pembawa yang memiliki massa, pada jarak jauh tidak efektif, sehingga kekuatan nuklir bagi kita sangat lemah. Jika bidang Higgs nol, isospin dan hypercharge akan sama kuatnya. Sebaliknya, di dunia kita ada interaksi elektromagnetik yang kuat dengan foton tak bermassa sebagai pembawa, dan interaksi nuklir yang lemah, sangat lemah sehingga hampir tidak berpengaruh pada kehidupan kita sehari-hari - meskipun, bagaimanapun, perlu untuk pengoperasian tungku api bintang, termasuk yang surya!

Alasan mengapa dunia terlihat sangat kompleks, karena semua partikel dengan massa yang sangat berbeda ini ada, sebagian disebabkan oleh kenyataan bahwa medan Higgs dan partikel Higgs berinteraksi dengan partikel-partikel materi berbeda dengan kekuatan yang sangat berbeda. Jadi masalah massa beragam partikel sebenarnya adalah masalah kekuatan interaksi yang berbeda dengan medan / partikel Higgs. Mengapa interaksi ini sangat berbeda? Tidak ada konsensus pada jawaban untuk pertanyaan ini (para ahli fisika partikel menyebutnya "masalah aroma" - berbicara tentang aroma quark dan elektron, muon, dan lepton bermuatan tau dengan aroma berbeda). Kami berharap bahwa beberapa jawaban dapat diberikan kepada kami oleh LHC - tetapi tidak ada jaminan untuk ini.

Masih ada pertanyaan - bagaimana neutrino mendapatkan massa mereka? Jawabannya adalah kita tidak tahu pasti. Salah satu kemungkinan - keberadaan neutrino tangan kanan di alam - sangat sulit ditemukan secara eksperimental, karena tidak dipengaruhi oleh salah satu dari tiga interaksi yang ditunjukkan pada Gambar. 2 dan 3 - dan mekanisme perolehan massa neutrino sama dengan partikel lainnya. Kemungkinan kedua adalah bahwa neutrino tangan kiri menerima massa dari interaksi tidak langsung dengan partikel Higgs, yang tidak bekerja dengan partikel lain. Banyak kolega saya cenderung ke opsi kedua, karena itu akan menjelaskan mengapa neutrino jauh lebih ringan daripada quark dan lepton bermuatan. Tapi ini cerita panjang.

Saya akan selesai pada poin penting. Banyak orang, yang pertama kali berkenalan dengan sejarah bidang Higgs, menyarankan bahwa itu entah bagaimana harus dihubungkan dengan gravitasi, yang juga berinteraksi dengan partikel yang lebih berat lebih baik daripada dengan yang kurang berat. Gravitasi menarik quark atas lebih kuat dari elektron, seperti gaya Higgs. Tetapi fisikawan berpengalaman menolak gagasan semacam itu. Mengapa

Intinya adalah bahwa tidak ada pengecualian untuk gravitasi - gravitasi selalu menarik partikel sebanding dengan massa mereka. (Sebenarnya, ini tidak sepenuhnya benar - gravitasi menarik partikel secara proporsional ke energi mereka. Dalam kehidupan sehari-hari, energi benda apa pun sebagian besar adalah energi massa, E = mc ² , jadi untuk manusia, batu dan bintang, energi dan massa hampir proporsi yang tepat.Tapi gravitasi dan tikungan cahaya! Jika gravitasi hanya menarik massa, ia tidak akan menarik cahaya yang terdiri dari foton tak bermassa).

Sebaliknya, hanya partikel yang menerima massa dari medan Higgs yang memiliki hubungan antara massa dan kekuatan interaksi dengan Higgs. Secara khusus, seperti yang dapat dilihat dari Gambar. 3 dan 7, partikel Higgs tidak menerima semua massanya dari medan Higgs yang tidak nol - dan kekuatan interaksinya dengan dirinya sendiri tidak terkait langsung dengan massanya. Ada korelasi, tetapi bukan proporsi. Ini bukan kasus yang jarang terjadi. Dalam artikel saya yang lain, Anda akan melihat banyak contoh partikel hipotetis yang mendapatkan massa dengan cara yang berbeda - misalnya, partikel yang muncul dalam teori seperti supersimetri atau pengukuran berbelit-belit tambahan.

Jadi hubungan antara gravitasi dan energi (dan karena itu massa dalam kehidupan sehari-hari) adalah mutlak, sedangkan hubungan antara Higgs dan massa seharusnya hanya ada untuk partikel elementer yang diketahui, dan mungkin tidak dalam partikel elementer lainnya, yang kita masih dapat ditemukan - tetapi koneksi seperti itu tidak lagi dikonfirmasi untuk partikel Higgs.

Dengan kata lain, setiap kebetulan antara medan Higgs dan gravitasi akan murni acak!