Mecanismo de Higgs e Quebra da Simetria Eletrofraca

O mecanismo de Higgs explica como a simetria de gauge eletrofraca é quebrada espontaneamente, conferindo massa aos bósons W e Z e aos férmions, enquanto o fóton permanece sem massa.

Definition

O mecanismo de Higgs é o processo pelo qual um campo escalar com um valor esperado de vácuo não nulo quebra espontaneamente a simetria eletrofraca SU(2)_L x U(1)_Y, conferindo massa aos bósons W e Z e, através dos acoplamentos de Yukawa, aos férmions carregados, enquanto deixa uma partícula escalar observável conhecida como bóson de Higgs.

Scope

Este tópico aborda a quebra espontânea de simetria aplicada a uma teoria de gauge, o papel do campo escalar de Higgs e seu valor esperado de vácuo não nulo, e a consequente geração de massas para bósons de gauge e férmions. Trata da previsão e descoberta em 2012 do bóson de Higgs, dos acoplamentos de Yukawa que definem as massas dos férmions, e da forma como o mecanismo preserva a renormalizabilidade e a invariância de gauge da teoria eletrofraca.

Core questions

• Como os bósons de gauge podem adquirir massa sem quebrar explicitamente a invariância de gauge?
• Qual é o significado físico do valor esperado de vácuo do campo de Higgs?
• Como os acoplamentos de Yukawa traduzem o campo de Higgs em massas de férmions?
• O que a massa medida do bóson de Higgs implica para a estabilidade do vácuo eletrofraco?

Key concepts

• Quebra espontânea de simetria
• Campo de Higgs e valor esperado de vácuo
• Bósons de Goldstone e polarização longitudinal
• Geração de massa dos bósons W e Z
• Acoplamentos de Yukawa e massas de férmions
• O bóson de Higgs

Key theories

Quebra espontânea da simetria de gauge

Quando um campo escalar adquire um valor esperado de vácuo não nulo, a simetria de gauge é oculta em vez de ausente, e os bósons de Goldstone que surgiriam são absorvidos para dar aos bósons de gauge polarizações longitudinais e massa.

Geração de massas de férmions por Yukawa

As massas dos férmions surgem de acoplamentos de Yukawa invariantes de gauge entre os campos de férmions e o campo de Higgs, de modo que o mesmo valor esperado de vácuo que confere massa aos bósons também define as massas dos quarks e léptons carregados.

Mechanisms

Na Lagrangiana eletrofraca, um dubleto escalar complexo possui um potencial cujo mínimo se encontra afastado do campo zero, de modo que o campo se estabelece em um valor esperado de vácuo não nulo. Expandindo em torno deste mínimo, três dos quatro graus de liberdade escalares tornam-se os modos longitudinais dos bósons W e Z, fornecendo sua massa, enquanto a excitação radial restante é o bóson de Higgs físico; o fóton permanece sem massa porque o U(1) eletromagnético não quebrado sobrevive.

Clinical relevance

A descoberta do bóson de Higgs pelos experimentos ATLAS e CMS no Grande Colisor de Hádrons em 2012 confirmou o último ingrediente que faltava no Modelo Padrão, e as medições contínuas de seus acoplamentos testam se a partícula observada se comporta exatamente como o Modelo Padrão prevê ou se sugere nova física.

History

O mecanismo foi proposto independentemente em 1964 por Englert e Brout, por Higgs, e por Guralnik, Hagen e Kibble, mostrando que os bósons de gauge poderiam adquirir massa através da quebra espontânea de simetria. Weinberg e Salam o incorporaram à teoria eletrofraca mais tarde na década, e o bóson escalar previsto foi finalmente observado no CERN em 2012, levando ao Prêmio Nobel de 2013 para Englert e Higgs.

Key figures

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

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

O campo de Higgs confere massa a todas as partículas?

Ele confere massa aos bósons W e Z e aos férmions elementares através de seus acoplamentos, mas a maior parte da massa da matéria comum provém, na verdade, da energia de ligação de quarks e glúons dentro de prótons e nêutrons, e não diretamente do campo de Higgs.

O bóson de Higgs é o mesmo que o campo de Higgs?

Não. O campo de Higgs permeia todo o espaço e é responsável pela quebra de simetria, enquanto o bóson de Higgs é a excitação quantizada observável desse campo detectada no LHC.