กลไกฮิกส์และการแตกสมมาตรแบบอิเล็กโตรวีก

กลไกฮิกส์อธิบายว่าสมมาตรเกจแบบอิเล็กโตรวีกถูกทำลายลงเองได้อย่างไร ทำให้ W โบซอนและ Z โบซอน รวมถึงเฟอร์มิออนมีมวล ในขณะที่โฟตอนยังคงไร้มวล

Definition

กลไกฮิกส์คือกระบวนการที่สนามสเกลาร์ที่มีค่าคาดหวังสุญญากาศไม่เป็นศูนย์ ทำลายสมมาตรอิเล็กโตรวีก SU(2)_L x U(1)_Y โดยธรรมชาติ ทำให้ W โบซอนและ Z โบซอนมีมวล และผ่านการเชื่อมโยงแบบยูคาวะ ทำให้เฟอร์มิออนที่มีประจุมีมวล ในขณะที่ยังคงเหลืออนุภาคสเกลาร์ที่สังเกตได้ซึ่งเรียกว่าฮิกส์โบซอน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการแตกสมมาตรโดยธรรมชาติที่นำมาใช้กับทฤษฎีเกจ บทบาทของสนามฮิกส์แบบสเกลาร์และค่าคาดหวังสุญญากาศที่ไม่เป็นศูนย์ และการสร้างมวลของเกจโบซอนและเฟอร์มิออนที่เกิดขึ้น นอกจากนี้ยังกล่าวถึงการทำนายและการค้นพบฮิกส์โบซอนในปี 2012 การเชื่อมโยงแบบยูคาวะที่กำหนดมวลของเฟอร์มิออน และวิธีการที่กลไกนี้รักษาสภาพการปรับสภาพใหม่ได้ (renormalizability) และความเป็นเกจไม่แปรเปลี่ยน (gauge invariance) ของทฤษฎีอิเล็กโตรวีก

Core questions

• เกจโบซอนสามารถได้รับมวลได้อย่างไรโดยไม่ทำลายความเป็นเกจไม่แปรเปลี่ยนอย่างชัดเจน?
• ความหมายทางกายภาพของค่าคาดหวังสุญญากาศของสนามฮิกส์คืออะไร?
• การเชื่อมโยงแบบยูคาวะเปลี่ยนสนามฮิกส์ให้เป็นมวลของเฟอร์มิออนได้อย่างไร?
• มวลที่วัดได้ของฮิกส์โบซอนบ่งบอกอะไรเกี่ยวกับเสถียรภาพของสุญญากาศอิเล็กโตรวีก?

Key concepts

• การแตกสมมาตรโดยธรรมชาติ
• สนามฮิกส์และค่าคาดหวังสุญญากาศ
• โกลด์สโตนโบซอนและโพลาไรเซชันตามยาว
• การสร้างมวลของ W และ Z โบซอน
• การเชื่อมโยงแบบยูคาวะและมวลของเฟอร์มิออน
• ฮิกส์โบซอน

Key theories

การแตกสมมาตรเกจโดยธรรมชาติ

เมื่อสนามสเกลาร์ได้รับค่าคาดหวังสุญญากาศที่ไม่เป็นศูนย์ สมมาตรเกจจะถูกซ่อนไว้แทนที่จะหายไป และโกลด์สโตนโบซอนที่ควรจะมีจะถูกดูดซับเพื่อทำให้เกจโบซอนมีโพลาไรเซชันตามยาวและมีมวล

การสร้างมวลของเฟอร์มิออนแบบยูคาวะ

มวลของเฟอร์มิออนเกิดขึ้นจากการเชื่อมโยงแบบยูคาวะที่ไม่แปรเปลี่ยนตามเกจระหว่างสนามเฟอร์มิออนและสนามฮิกส์ ดังนั้นค่าคาดหวังสุญญากาศเดียวกันที่ให้มวลแก่โบซอนก็กำหนดมวลของควาร์กและเลปตอนที่มีประจุด้วย

Mechanisms

ในลากรางเจียนอิเล็กโตรวีก ดับเบิลเลตสเกลาร์เชิงซ้อนมีศักย์ที่มีค่าต่ำสุดอยู่ห่างจากสนามศูนย์ ดังนั้นสนามจึงเข้าสู่ค่าคาดหวังสุญญากาศที่ไม่เป็นศูนย์ เมื่อขยายรอบค่าต่ำสุดนี้ องศาอิสระสเกลาร์สี่ในสามกลายเป็นโหมดตามยาวของ W โบซอนและ Z โบซอน ซึ่งให้มวลแก่พวกมัน ในขณะที่การกระตุ้นในแนวรัศมีที่เหลืออยู่คือฮิกส์โบซอนทางกายภาพ โฟตอนยังคงไร้มวลเนื่องจาก U(1) ทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ถูกทำลายยังคงอยู่

Clinical relevance

การค้นพบฮิกส์โบซอนโดยการทดลอง ATLAS และ CMS ที่เครื่องชนอนุภาคแฮดรอนขนาดใหญ่ในปี 2012 ยืนยันส่วนประกอบสุดท้ายที่ขาดหายไปของแบบจำลองมาตรฐาน และการวัดค่าการเชื่อมโยงอย่างต่อเนื่องจะทดสอบว่าอนุภาคที่สังเกตได้มีพฤติกรรมตรงตามที่แบบจำลองมาตรฐานทำนายไว้หรือไม่ หรือบ่งชี้ถึงฟิสิกส์ใหม่

History

กลไกนี้ถูกเสนอขึ้นอย่างอิสระในปี 1964 โดย Englert และ Brout โดย Higgs และโดย Guralnik, Hagen และ Kibble ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเกจโบซอนสามารถได้รับมวลผ่านการแตกสมมาตรโดยธรรมชาติ Weinberg และ Salam ได้นำกลไกนี้ไปรวมเข้ากับทฤษฎีอิเล็กโตรวีกในปลายทศวรรษนั้น และโบซอนสเกลาร์ที่ทำนายไว้ก็ถูกสังเกตพบในที่สุดที่ CERN ในปี 2012 ซึ่งนำไปสู่รางวัลโนเบลในปี 2013 สำหรับ Englert และ Higgs

Key figures

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

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

สนามฮิกส์ให้มวลแก่อนุภาคทั้งหมดหรือไม่?

มันให้มวลแก่ W และ Z โบซอน และแก่เฟอร์มิออนพื้นฐานผ่านการเชื่อมโยงของพวกมัน แต่มวลส่วนใหญ่ของสสารธรรมดาจริงๆ แล้วมาจากพลังงานยึดเหนี่ยวของควาร์กและกลูออนภายในโปรตอนและนิวตรอน ไม่ได้มาจากสนามฮิกส์โดยตรง

ฮิกส์โบซอนเหมือนกับสนามฮิกส์หรือไม่?

ไม่ สนามฮิกส์แผ่ซ่านไปทั่วอวกาศและรับผิดชอบต่อการแตกสมมาตร ในขณะที่ฮิกส์โบซอนคือการกระตุ้นเชิงควอนตัมที่สังเกตได้ของสนามนั้นที่ตรวจพบที่ LHC