آلية هيغز وكسر التناظر الكهروضعيف

توضح آلية هيغز كيف يتم كسر تناظر المقياس الكهروضعيف تلقائيًا، مما يمنح كلاً من بوزونات W و Z والفيرميونات كتلة، مع إبقاء الفوتون عديم الكتلة.

Definition

آلية هيغز هي العملية التي يقوم من خلالها مجال قياسي ذو قيمة متوقعة غير صفرية في الفراغ بكسر تناظر SU(2)_L x U(1)_Y الكهروضعيف تلقائيًا، مما يمنح كلاً من بوزونات W و Z كتلة، ومن خلال اقترانات يوكاوا، يمنح الفيرميونات المشحونة كتلة، مع ترك جسيم قياسي قابل للملاحظة يُعرف باسم بوزون هيغز.

Scope

يغطي هذا الموضوع كسر التناظر التلقائي المطبق على نظرية المقياس، ودور مجال هيغز القياسي وقيمته المتوقعة غير الصفرية في الفراغ، وتوليد كتل بوزونات المقياس والفيرميونات الناتجة عن ذلك. ويتناول التنبؤ ببوزون هيغز واكتشافه عام 2012، واقترانات يوكاوا التي تحدد كتل الفيرميونات، والطريقة التي تحافظ بها الآلية على قابلية إعادة التطبيع وثبات المقياس في النظرية الكهروضعيفة.

Core questions

• كيف يمكن لبوزونات المقياس أن تكتسب كتلة دون كسر صريح لثبات المقياس؟
• ما هو المعنى الفيزيائي للقيمة المتوقعة في الفراغ لمجال هيغز؟
• كيف تترجم اقترانات يوكاوا مجال هيغز إلى كتل فيرميونية؟
• ماذا تعني الكتلة المقاسة لبوزون هيغز لاستقرار الفراغ الكهروضعيف؟

Key concepts

• كسر التناظر التلقائي
• مجال هيغز والقيمة المتوقعة في الفراغ
• بوزونات غولدستون والاستقطاب الطولي
• توليد كتلة بوزونات W و Z
• اقترانات يوكاوا وكتل الفيرميونات
• بوزون هيغز

Key theories

الكسر التلقائي لتناظر المقياس

عندما يكتسب مجال قياسي قيمة متوقعة غير صفرية في الفراغ، يتم إخفاء تناظر المقياس بدلاً من غيابه، ويتم امتصاص بوزونات غولدستون المحتملة لمنح بوزونات المقياس استقطابات طولية وكتلة.

توليد كتل الفيرميونات بواسطة يوكاوا

تنشأ كتل الفيرميونات من اقترانات يوكاوا الثابتة للمقياس بين مجالات الفيرميونات ومجال هيغز، بحيث أن نفس القيمة المتوقعة في الفراغ التي تمنح البوزونات كتلة تحدد أيضًا كتل الكواركات واللبتونات المشحونة.

Mechanisms

في لاغرانج الكهروضعيف، يحتوي ثنائي قياسي معقد على جهد تقع نقطة حده الأدنى بعيدًا عن المجال الصفري، لذا يستقر المجال في قيمة متوقعة غير صفرية في الفراغ. بالتوسع حول هذا الحد الأدنى، تصبح ثلاث من الدرجات الأربع للحرية القياسية هي الأنماط الطولية لبوزونات W و Z، مما يوفر كتلتها، بينما يكون الإثارة الشعاعية المتبقية هي بوزون هيغز الفيزيائي؛ يبقى الفوتون عديم الكتلة لأن U(1) الكهرومغناطيسي غير المكسور يبقى قائمًا.

Clinical relevance

أكد اكتشاف بوزون هيغز بواسطة تجربتي ATLAS و CMS في مصادم الهادرونات الكبير عام 2012 المكون الأخير المفقود في النموذج القياسي، وتختبر القياسات المستمرة لاقتراناته ما إذا كان الجسيم المرصود يتصرف تمامًا كما يتنبأ به النموذج القياسي أو يشير إلى فيزياء جديدة.

History

اقترح هذه الآلية بشكل مستقل عام 1964 كل من إنجليرت وبروت، وهيغز، وغورالنيك، وهاغن، وكيبل، مبينين أن بوزونات المقياس يمكن أن تكتسب كتلة من خلال كسر التناظر التلقائي. أدرجها واينبرغ وسلام في النظرية الكهروضعيفة لاحقًا في ذلك العقد، وتم رصد البوزون القياسي المتوقع أخيرًا في CERN عام 2012، مما أدى إلى حصول إنجليرت وهيغز على جائزة نوبل عام 2013.

Key figures

• Peter Higgs
• Francois Englert
• Robert Brout
• Steven Weinberg

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

هل يمنح مجال هيغز الكتلة لجميع الجسيمات؟

يمنح الكتلة لبوزونات W و Z وللفيرميونات الأولية من خلال اقتراناتها، لكن معظم كتلة المادة العادية تأتي في الواقع من طاقة الربط للكواركات والغلوونات داخل البروتونات والنيوترونات، وليس مباشرة من مجال هيغز.

هل بوزون هيغز هو نفسه مجال هيغز؟

لا. مجال هيغز يتخلل كل الفضاء وهو المسؤول عن كسر التناظر، بينما بوزون هيغز هو الإثارة الكمومية القابلة للملاحظة لهذا المجال التي تم اكتشافها في مصادم الهادرونات الكبير.