5-я сила – Хиггсовское взаимодействие

    Хиггсовское взаимодействие – это взаимодействие фундаментальных частиц (кварков, лептонов и квантов 4-х традиционных физических полей – фотонов, глюонов, W^± и Z-бозонов, гравитонов) с полем Энглера-Браута-Хиггса (обычно именуемого «хиггсовским»), заполняющим всё пространство и во многом определяющим свойства физического вакуума. Бозон Хиггса – это квант хиггсовского поля.

Какова роль этого поля?

    Симметрии теорий микромира запрещают фундаментальным частицам иметь массы, а хиггсовское поле нарушает эти симметрии и обеспечивает возможность существования масс у фундаментальных частиц. В этом главная роль хиггсовского поля. Бозон Хиггса – последняя из фундаментальных частиц, предсказываемых Стандартной Моделью элементарных частиц, которую до 2012 г. не наблюдали.

Как формируется масса элементарной частицы ?

    Существует два типа элементарных частиц:

1. Сложные частицы, имеющие внутреннюю структуру и видимый размер – это адроны, состоящие из двух или трёх кварков.
2. Бесструктурные, не имеющие размер частицы, – это кварки, лептоны и кванты физических полей. Они ведут себя как материальные точки и мы их называем фундаментальными.

    Масса сложного объекта (адрона) формируется из масс покоя составляющих его фундаментальных частиц, а также энергий движения и взаимодействия этих частиц внутри адрона. При этом связь энергии и массы даётся соотношением Е = mc².
    Рассмотрим протон. Он состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, взаимодействующих между собой посредством сильного поля, переносчиками которого являются безмассовые глюоны. Суммарная масса покоя невзаимодействующих (голых) кварков протона равна

(2m_u + m_d) ≈ (2·2,2 + 4,7)МэВ/c² ≈  МэВ/c²,

что составляет ≈1% массы протона (938,3 МэВ/c²). Т. е. около 99% массы протона формируется за счёт кинетической энергии кварков и энергии глюонного поля. И то и другое – результат сильного взаимодействия. Однако остается вопрос о природе суммарной массы покоя голых кварков. Они не имеют внутренней структуры и поэтому их массы не могут возникать за счёт кинетической и потенциальной энергии объектов этой структуры. Аналогичный вопрос о массе относится не только к кваркам, но и к другим фундаментальным, т.е. бесструктурным, частицам (лептонам и квантам полей).
    Ответ на вопрос о природе масс фундаментальных частиц был дан Стандартной Моделью. Согласно ей массы фундаментальных частиц являются результатом их взаимодействия с хиггсовским полем. Квантом этого поля является бозон Хиггса. Это поле присутствует всюду во Вселенной. Главная роль поля Хиггса – обеспечить массы всем фундаментальным частицам.

Каковы свойства хиггсовского поля ?

    Во-первых, это поле однородно, т. е. равномерно «разлито» по всему пространству и оно неразрывно связано с понятием физического вакуума. Физический вакуум это не абсолютная пустота, это наинизшее энергетическое состояние полей пронизывающих пространство. Это вакуумное поле, обладая некоторыми свойствами обычной материальной среды, не создаёт связанной с ним выделенной системы отсчёта, не мешает движению тел и распространению других физических полей через заполненное им пространство.
    Второе уникальное свойство поля Хиггса состоит в том, что его напряженность всюду отлична от нуля. Для обычных полей (электромагнитного, сильного и слабого) самое низкое энергетическое состояние соответствует нулевой напряженности поля, т. е. его отсутствию.
    Третья особенность поля Хиггса состоит в том, что, взаимодействуя с фундаментальными частицами, оно наделяет их массами, величины которых пропорциональны напряженности (или потенциалу φ₀) этого поля, умноженному на силу (интенсивность) взаимодействия. Чем сильнее (интенсивнее) это взаимодействие, тем больше масса частицы.
    Итак, хиггсовское поле, взаимодействуя с фундаментальными частицами, наделяет их массами. При этом величина массы частицы определяется интенсивностью этого взаимодействия или, что то же, константой ξ её связи с этим полем. По современным данным величина постоянного в пространстве хиггсовского поля φ₀ = 174 ГэВ. Масса, приобретаемая фундаментальной частицей f в результате взаимодействия с полем Хиггса, даётся соотношением

mfc² = ξ_f ·φ₀.

    Из этого выражения следует, что для электрона ξ_e ≈ 3·10^-6, для топ-кварка ξ_t ≈ 1, для нейтрино эта константа в районе 10^-13. Зная массы фундаментальных фермионов, легко получить значение ξ для каждого из них. Хиггсовское поле даёт массы также W- и Z-бозонам и самому бозону Хиггса H⁰. Фотон и глюон остаются безмассовыми.
    При повышении температуры хиггсовское поле, плавно уменьшаясь, в конце концов обращается в нуль и соответственно исчезает его взаимодействие с фундаментальными частицами, придающее им массу. Несимметричное по массам состояние фундаментальных частиц переходит в симметричное безмассовое состояние, отвечающее объединению электромагнитного и слабого взаимодействий в более универсальное электрослабое (этот переход происходит при температуре T ≈ 10¹⁵ K и энергиях частиц ≈ 100 ГэВ). Итак, хиггсовское поле нарушает симметрии, лежащие в основе объединённых теорий микромира, и запрещающие фундаментальным частицам иметь массы. Это поле, материализуясь при низких энергиях (говорят о повсеместно разлитом конденсате хиггсовской жидкости), наделяет массой изначально безмассовые фундаментальные частицы. Потерю масс фундаментальными частицам при исчезновении хиггсовского поля можно сравнить с потерей веса телами при исчезновении гравитационного поля. Также как в гравитационном поле (например, Земли) различные тела имеют, как правило, различные веса и теряют эти веса при отключении гравитационного поля, становясь одинаково невесомыми, так и в хиггсовском поле различные фундаментальные частицы имеют различные массы и теряют эти массы при выключении поля, становясь одинаково безмассовыми. Различные веса тел и различные массы фундаментальных частиц обусловлены различными энергиями взаимодействия тел (частиц) с соответствующими полями.
    В столкновении двух протонов бозон Хиггса может возникать различными путями. Две возможности изображены следующими диаграммами. С наибольшей вероятностью H⁰ возникает
в столкновении двух глюонов: gg → H⁰ .

Основной способ распада бозона Хиггса – на пару b-кварк и его антикварк (вероятность ≈ 57%).

    На этом рисунке показаны основные типы узлов диаграмм Фейнмана с участием бозона Хиггса. Узел а показывает испускание (или поглощение) бозона Хиггса фундаментальным фермионом, например, кварком или электроном (позитроном). Узел b описывает аналогичный процесс для W- или Z-бозона. Узел с показывает прямое рассеяние W- или Z-бозона на бозоне Хиггса. Узлы a, b, c ответственны за генерацию масс фундаментальных частиц. Бозоны Хиггса также могут взаимодействовать друг с другом (узлы d и e).
    За счёт хиггсовского поля реализуется и новый тип взаимодействия между фундаментальными частицами, осуществляемый обменом бозонами Хиггса. Простейшая диаграмма такого взаимодействия (за счёт обмена одним бозоном Хиггса) имеет вид:

    Таким образом, в Стандартной Модели имеется 6 кварков и 6 лептонов и три (до открытия хиггсовского механизма) вида взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное,
переносимых квантами соответствующих полей: глюоном g, W- и Z-бозонами и фотоном . Четвёртое - гравитационное взаимодействие, переносимое гравитоном, ничтожно для фундаментальных частиц. К тому же гравитация описывается пока лишь в рамках классической теории.
    К этим четырём взаимодействиям теперь добавилось пятое,
переносимое хиггсовским бозоном. Этим набором частиц и взаимодействий между ними исчерпываются все известные фундаментальные частицы и силы природы.
    В заключение приведём таблицу видов и свойств всех пяти взаимодействий. Отметим, что хиггсовские силы, как и слабые, очень короткодействующие (следствие большой массы бозона Хиггса). Кроме того, константа взаимодействия этих сил на два порядка превосходит константу слабых сил