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

(2mu + md) ≈ (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 = ξf ·φ0.

    Из этого выражения следует, что для электрона ξe ≈ 3·10-6, для топ-кварка ξt ≈ 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

На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru