Механизм Хиггса и нарушение электрослабой симметрии

Механизм Хиггса объясняет, как электрослабая калибровочная симметрия спонтанно нарушается, придавая массу W- и Z-бозонам и фермионам, при этом фотон остаётся безмассовым.

Definition

Механизм Хиггса — это процесс, посредством которого скалярное поле с ненулевым вакуумным средним значением спонтанно нарушает электрослабую симметрию SU(2)_L x U(1)_Y, придавая массу W- и Z-бозонам и, через связи Юкавы, заряженным фермионам, при этом оставляя наблюдаемую скалярную частицу, известную как бозон Хиггса.

Scope

Эта тема охватывает спонтанное нарушение симметрии, применённое к калибровочной теории, роль скалярного поля Хиггса и его ненулевого вакуумного среднего значения, а также результирующее образование масс калибровочных бозонов и фермионов. Она рассматривает предсказание и открытие бозона Хиггса в 2012 году, связи Юкавы, которые определяют массы фермионов, и то, как этот механизм сохраняет перенормируемость и калибровочную инвариантность электрослабой теории.

Core questions

• Как калибровочные бозоны могут приобретать массу без явного нарушения калибровочной инвариантности?
• Каков физический смысл вакуумного среднего значения поля Хиггса?
• Как связи Юкавы преобразуют поле Хиггса в массы фермионов?
• Что означает измеренная масса бозона Хиггса для стабильности электрослабого вакуума?

Key concepts

• Спонтанное нарушение симметрии
• Поле Хиггса и вакуумное среднее значение
• Бозоны Голдстоуна и продольная поляризация
• Генерация массы W- и Z-бозонов
• Связи Юкавы и массы фермионов
• Бозон Хиггса

Key theories

Спонтанное нарушение калибровочной симметрии

Когда скалярное поле приобретает ненулевое вакуумное среднее значение, калибровочная симметрия скрыта, а не отсутствует, и так называемые бозоны Голдстоуна поглощаются, чтобы придать калибровочным бозонам продольные поляризации и массу.

Генерация масс фермионов Юкавой

Массы фермионов возникают из калибровочно-инвариантных связей Юкавы между фермионными полями и полем Хиггса, так что то же вакуумное среднее значение, которое придаёт массу бозонам, также устанавливает массы кварков и заряженных лептонов.

Mechanisms

В электрослабом лагранжиане комплексный скалярный дублет имеет потенциал, минимум которого лежит вдали от нулевого поля, поэтому поле устанавливается в ненулевое вакуумное среднее значение. При разложении вокруг этого минимума три из четырёх скалярных степеней свободы становятся продольными модами W- и Z-бозонов, обеспечивая их массу, в то время как оставшееся радиальное возбуждение является физическим бозоном Хиггса; фотон остаётся безмассовым, поскольку ненарушенная электромагнитная симметрия U(1) сохраняется.

Clinical relevance

Открытие бозона Хиггса экспериментами ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в 2012 году подтвердило последний недостающий элемент Стандартной модели, и текущие измерения его связей проверяют, ведёт ли себя наблюдаемая частица точно так, как предсказывает Стандартная модель, или указывает на новую физику.

History

Механизм был независимо предложен в 1964 году Энглером и Браутом, Хиггсом, а также Гуральником, Хагеном и Кибблом, показав, что калибровочные бозоны могут приобретать массу через спонтанное нарушение симметрии. Вайнберг и Салам включили его в электрослабую теорию позднее в том же десятилетии, и предсказанный скалярный бозон был наконец обнаружен в ЦЕРН в 2012 году, что привело к Нобелевской премии 2013 года для Энглера и Хиггса.

Key figures

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

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

Придаёт ли поле Хиггса массу всем частицам?

Оно придаёт массу W- и Z-бозонам, а также элементарным фермионам через их связи, но большая часть массы обычного вещества на самом деле происходит от энергии связи кварков и глюонов внутри протонов и нейтронов, а не напрямую от поля Хиггса.

Является ли бозон Хиггса тем же самым, что и поле Хиггса?

Нет. Поле Хиггса пронизывает всё пространство и отвечает за нарушение симметрии, в то время как бозон Хиггса — это наблюдаемое квантованное возбуждение этого поля, обнаруженное на БАК.