سازوکار هیگز و شکست خودبه‌خودی تقارن الکتروضعیف

سازوکار هیگز توضیح می‌دهد که چگونه تقارن پیمانه‌ای الکتروضعیف به صورت خودبه‌خودی شکسته می‌شود و به بوزون‌های W و Z و فرمیون‌ها جرم می‌دهد، در حالی که فوتون بدون جرم باقی می‌ماند.

Definition

سازوکار هیگز فرآیندی است که طی آن یک میدان نرده‌ای با مقدار انتظاری خلأ غیرصفر، تقارن الکتروضعیف SU(2)_L x U(1)_Y را به صورت خودبه‌خودی می‌شکند و به بوزون‌های W و Z و از طریق جفت‌شدگی‌های یوکاوا، به فرمیون‌های باردار جرم می‌دهد، در حالی که یک ذره نرده‌ای قابل مشاهده به نام بوزون هیگز باقی می‌ماند.

Scope

این موضوع شامل شکست خودبه‌خودی تقارن اعمال شده بر یک نظریه پیمانه‌ای، نقش میدان نرده‌ای هیگز و مقدار انتظاری خلأ غیرصفر آن، و تولید جرم بوزون‌های پیمانه‌ای و فرمیون‌ها می‌شود. همچنین به پیش‌بینی و کشف بوزون هیگز در سال ۲۰۱۲، جفت‌شدگی‌های یوکاوا که جرم فرمیون‌ها را تعیین می‌کنند، و چگونگی حفظ بازبه‌هنجارسازی و ناوردایی پیمانه‌ای نظریه الکتروضعیف توسط این سازوکار می‌پردازد.

Core questions

• چگونه بوزون‌های پیمانه‌ای می‌توانند بدون شکست صریح ناوردایی پیمانه‌ای، جرم کسب کنند؟
• معنای فیزیکی مقدار انتظاری خلأ میدان هیگز چیست؟
• چگونه جفت‌شدگی‌های یوکاوا میدان هیگز را به جرم فرمیون‌ها تبدیل می‌کنند؟
• جرم اندازه‌گیری شده بوزون هیگز چه معنایی برای پایداری خلأ الکتروضعیف دارد؟

Key concepts

• شکست خودبه‌خودی تقارن
• میدان هیگز و مقدار انتظاری خلأ
• بوزون‌های گلدستون و قطبش طولی
• تولید جرم بوزون‌های W و Z
• جفت‌شدگی‌های یوکاوا و جرم فرمیون‌ها
• بوزون هیگز

Key theories

شکست خودبه‌خودی تقارن پیمانه‌ای

هنگامی که یک میدان نرده‌ای مقدار انتظاری خلأ غیرصفر به دست می‌آورد، تقارن پیمانه‌ای به جای اینکه از بین برود، پنهان می‌شود، و بوزون‌های گلدستون بالقوه جذب می‌شوند تا به بوزون‌های پیمانه‌ای قطبش‌های طولی و جرم بدهند.

تولید جرم فرمیون‌ها توسط یوکاوا

جرم فرمیون‌ها از جفت‌شدگی‌های یوکاوای ناوردا نسبت به پیمانه بین میدان‌های فرمیونی و میدان هیگز ناشی می‌شود، به طوری که همان مقدار انتظاری خلأ که به بوزون‌ها جرم می‌دهد، جرم کوارک‌ها و لپتون‌های باردار را نیز تعیین می‌کند.

Mechanisms

در لاگرانژین الکتروضعیف، یک دوتایی نرده‌ای مختلط دارای پتانسیلی است که حداقل آن دور از میدان صفر قرار دارد، بنابراین میدان در یک مقدار انتظاری خلأ غیرصفر مستقر می‌شود. با بسط حول این حداقل، سه مورد از چهار درجه آزادی نرده‌ای به مُدهای طولی بوزون‌های W و Z تبدیل می‌شوند و جرم آن‌ها را تأمین می‌کنند، در حالی که تحریک شعاعی باقی‌مانده، بوزون هیگز فیزیکی است؛ فوتون بدون جرم باقی می‌ماند زیرا U(1) الکترومغناطیسی نشکسته باقی می‌ماند.

Clinical relevance

کشف بوزون هیگز توسط آزمایش‌های ATLAS و CMS در برخورددهنده بزرگ هادرونی در سال ۲۰۱۲، آخرین جزء گمشده مدل استاندارد را تأیید کرد، و اندازه‌گیری‌های جاری جفت‌شدگی‌های آن، این موضوع را آزمایش می‌کند که آیا ذره مشاهده شده دقیقاً همانطور که مدل استاندارد پیش‌بینی می‌کند رفتار می‌کند یا نشانه‌هایی از فیزیک جدید دارد.

History

این سازوکار به طور مستقل در سال ۱۹۶۴ توسط انگلرت و براوت، توسط هیگز، و توسط گورالنیک، هاگن و کیبل پیشنهاد شد و نشان داد که بوزون‌های پیمانه‌ای می‌توانند از طریق شکست خودبه‌خودی تقارن جرم کسب کنند. واینبرگ و سالام آن را بعدها در همان دهه در نظریه الکتروضعیف گنجاندند، و بوزون نرده‌ای پیش‌بینی شده سرانجام در سال ۲۰۱۲ در سرن مشاهده شد که منجر به جایزه نوبل ۲۰۱۳ برای انگلرت و هیگز شد.

Key figures

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

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

آیا میدان هیگز به همه ذرات جرم می‌دهد؟

این میدان از طریق جفت‌شدگی‌هایش به بوزون‌های W و Z و به فرمیون‌های بنیادی جرم می‌دهد، اما بیشتر جرم ماده معمولی در واقع از انرژی بستگی کوارک‌ها و گلوئون‌ها در داخل پروتون‌ها و نوترون‌ها ناشی می‌شود، نه مستقیماً از میدان هیگز.

آیا بوزون هیگز همان میدان هیگز است؟

خیر. میدان هیگز تمام فضا را فرا گرفته و مسئول شکست تقارن است، در حالی که بوزون هیگز تحریک کوانتومی قابل مشاهده آن میدان است که در LHC شناسایی شده است.