Cơ chế Higgs và Phá vỡ đối xứng điện yếu

Cơ chế Higgs giải thích cách đối xứng chuẩn điện yếu bị phá vỡ tự phát, tạo khối lượng cho các boson W và Z cũng như các fermion, trong khi photon vẫn không có khối lượng.

Definition

Cơ chế Higgs là quá trình mà một trường vô hướng với giá trị kỳ vọng chân không khác không tự phát phá vỡ đối xứng điện yếu SU(2)_L x U(1)_Y, tạo khối lượng cho các boson W và Z và, thông qua các cặp Yukawa, cho các fermion tích điện, đồng thời để lại một hạt vô hướng có thể quan sát được gọi là boson Higgs.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự phá vỡ đối xứng tự phát được áp dụng cho một lý thuyết chuẩn, vai trò của trường Higgs vô hướng và giá trị kỳ vọng chân không khác không của nó, cùng với sự hình thành khối lượng của các boson chuẩn và fermion. Nó đề cập đến dự đoán và khám phá boson Higgs vào năm 2012, các cặp Yukawa thiết lập khối lượng fermion, và cách cơ chế này bảo toàn tính tái chuẩn hóa và bất biến chuẩn của lý thuyết điện yếu.

Core questions

• Làm thế nào các boson chuẩn có thể có được khối lượng mà không phá vỡ rõ ràng tính bất biến chuẩn?
• Ý nghĩa vật lý của giá trị kỳ vọng chân không của trường Higgs là gì?
• Các cặp Yukawa chuyển đổi trường Higgs thành khối lượng fermion như thế nào?
• Khối lượng đo được của boson Higgs có ý nghĩa gì đối với sự ổn định của chân không điện yếu?

Key concepts

• Phá vỡ đối xứng tự phát
• Trường Higgs và giá trị kỳ vọng chân không
• Boson Goldstone và phân cực dọc
• Sự hình thành khối lượng của boson W và Z
• Các cặp Yukawa và khối lượng fermion
• Boson Higgs

Key theories

Phá vỡ tự phát đối xứng chuẩn

Khi một trường vô hướng có được giá trị kỳ vọng chân không khác không, đối xứng chuẩn bị ẩn đi thay vì không tồn tại, và các boson Goldstone tiềm năng được hấp thụ để cung cấp cho các boson chuẩn các phân cực dọc và khối lượng.

Sự hình thành khối lượng fermion theo Yukawa

Khối lượng fermion phát sinh từ các cặp Yukawa bất biến chuẩn giữa các trường fermion và trường Higgs, do đó cùng một giá trị kỳ vọng chân không tạo khối lượng cho các boson cũng thiết lập khối lượng của các quark và lepton tích điện.

Mechanisms

Trong Lagrangian điện yếu, một doublet vô hướng phức hợp có một thế năng mà cực tiểu của nó nằm cách xa trường bằng không, do đó trường ổn định ở một giá trị kỳ vọng chân không khác không. Khi mở rộng xung quanh cực tiểu này, ba trong số bốn bậc tự do vô hướng trở thành các mode dọc của các boson W và Z, cung cấp khối lượng cho chúng, trong khi kích thích xuyên tâm còn lại là boson Higgs vật lý; photon vẫn không có khối lượng vì U(1) điện từ không bị phá vỡ vẫn tồn tại.

Clinical relevance

Việc khám phá boson Higgs bởi các thí nghiệm ATLAS và CMS tại Máy gia tốc hạt lớn vào năm 2012 đã xác nhận thành phần cuối cùng còn thiếu của Mô hình Chuẩn, và các phép đo liên tục về các cặp của nó đang kiểm tra xem hạt được quan sát có hoạt động chính xác như Mô hình Chuẩn dự đoán hay không, hoặc liệu nó có gợi ý về vật lý mới hay không.

History

Cơ chế này được đề xuất độc lập vào năm 1964 bởi Englert và Brout, bởi Higgs, và bởi Guralnik, Hagen, và Kibble, cho thấy các boson chuẩn có thể có được khối lượng thông qua sự phá vỡ đối xứng tự phát. Weinberg và Salam đã kết hợp nó vào lý thuyết điện yếu sau đó trong thập kỷ, và boson vô hướng được dự đoán cuối cùng đã được quan sát tại CERN vào năm 2012, dẫn đến Giải Nobel năm 2013 cho Englert và Higgs.

Key figures

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

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

Trường Higgs có tạo khối lượng cho tất cả các hạt không?

Nó tạo khối lượng cho các boson W và Z và cho các fermion cơ bản thông qua các cặp của chúng, nhưng phần lớn khối lượng của vật chất thông thường thực sự đến từ năng lượng liên kết của các quark và gluon bên trong proton và neutron, chứ không trực tiếp từ trường Higgs.

Boson Higgs có giống với trường Higgs không?

Không. Trường Higgs thấm đẫm khắp không gian và chịu trách nhiệm phá vỡ đối xứng, trong khi boson Higgs là kích thích lượng tử hóa có thể quan sát được của trường đó được phát hiện tại LHC.