Higgsmekanismen och elektrosvag symmetribrytning

Higgsmekanismen förklarar hur den elektrosvaga gaugesymmetrin spontant bryts, vilket ger massa åt W- och Z-bosonerna samt fermionerna, samtidigt som fotonen förblir masslös.

Definition

Higgsmekanismen är den process genom vilken ett skalärt fält med ett nollskilt vakuumförväntningsvärde spontant bryter SU(2)_L x U(1)_Y elektrosvag symmetri, vilket ger massa åt W- och Z-bosonerna och, genom Yukawakopplingar, åt de laddade fermionerna, samtidigt som en observerbar skalär partikel känd som Higgsbosonen lämnas kvar.

Scope

Detta ämne behandlar spontan symmetribrytning tillämpad på en gaugeteori, rollen för det skalära Higgsfältet och dess nollskilda vakuumförväntningsvärde, samt den resulterande genereringen av gaugeboson- och fermionmassor. Det behandlar förutsägelsen och upptäckten av Higgsbosonen 2012, Yukawakopplingarna som bestämmer fermionmassorna, och hur mekanismen bevarar den elektrosvaga teorins renormerbarhet och gaugeinvarians.

Core questions

• Hur kan gaugebosoner förvärva massa utan att explicit bryta gaugeinvariansen?
• Vad är den fysikaliska betydelsen av Higgsfältets vakuumförväntningsvärde?
• Hur översätter Yukawakopplingar Higgsfältet till fermionmassor?
• Vad innebär Higgsbosonens uppmätta massa för stabiliteten hos det elektrosvaga vakuumet?

Key concepts

• Spontan symmetribrytning
• Higgsfält och vakuumförväntningsvärde
• Goldstonebosoner och longitudinell polarisation
• W- och Z-bosonmassgenerering
• Yukawakopplingar och fermionmassor
• Higgsbosonen

Key theories

Spontan brytning av gaugesymmetri

När ett skalärt fält förvärvar ett nollskilt vakuumförväntningsvärde, är gaugesymmetrin dold snarare än frånvarande, och de blivande Goldstonebosonerna absorberas för att ge gaugebosonerna longitudinella polarisationer och massa.

Yukawagenerering av fermionmassor

Fermionmassor uppstår från gaugeinvarianta Yukawakopplingar mellan fermionfälten och Higgsfältet, så att samma vakuumförväntningsvärde som ger bosonerna massa också bestämmer massorna hos kvarkar och laddade leptoner.

Mechanisms

I den elektrosvaga lagrangianen har en komplex skalär dubblett en potential vars minimum ligger bortom nollfältet, så fältet sätter sig i ett nollskilt vakuumförväntningsvärde. Genom att expandera runt detta minimum blir tre av de fyra skalära frihetsgraderna de longitudinella moder för W- och Z-bosonerna, vilket tillför deras massa, medan den återstående radiella excitationen är den fysikaliska Higgsbosonen; fotonen förblir masslös eftersom den obrutna elektromagnetiska U(1) överlever.

Clinical relevance

Upptäckten av Higgsbosonen av ATLAS- och CMS-experimenten vid Large Hadron Collider 2012 bekräftade den sista saknade ingrediensen i Standardmodellen, och pågående mätningar av dess kopplingar testar om den observerade partikeln beter sig exakt som Standardmodellen förutsäger eller antyder ny fysik.

History

Mekanismen föreslogs oberoende 1964 av Englert och Brout, av Higgs, och av Guralnik, Hagen och Kibble, vilket visade att gaugebosoner kunde förvärva massa genom spontan symmetribrytning. Weinberg och Salam införlivade den i den elektrosvaga teorin senare under årtiondet, och den förutsagda skalära bosonen observerades slutligen vid CERN 2012, vilket ledde till Nobelpriset 2013 för Englert och Higgs.

Key figures

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

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

Ger Higgsfältet massa åt alla partiklar?

Det ger massa åt W- och Z-bosonerna och åt de elementära fermionerna genom deras kopplingar, men det mesta av massan hos vanlig materia kommer faktiskt från bindningsenergin hos kvarkar och gluoner inuti protoner och neutroner, inte direkt från Higgsfältet.

Är Higgsbosonen samma sak som Higgsfältet?

Nej. Higgsfältet genomsyrar hela rymden och är ansvarigt för symmetribrytningen, medan Higgsbosonen är den observerbara kvantiserade excitationen av det fält som detekterats vid LHC.