Higsa lauks: definīcija un kā tas piešķir masu daļiņām

Higsa lauks ir skalārs enerģijas lauks, kas, pēc pašreizējām teorijām, pastāv visos Visuma reģionos. To teorētiski ieviesa 1960. gados, lai izskaidrotu, kā daļiņas var iegūt masu, nepārkāpjot kvantu lauku teorijas un elementārdaļiņu simetrijas. Šim laukam atbilst novērojama daļiņa — fundamentālā daļiņa, kas pazīstama kā Higsa bozons, kuras atklāšana 2012. gadā Lielajā hadronu kolliderī (LHC) sniedza spēcīgus pierādījumus Higsa lauka esamībai.

Kā Higsa lauks piešķir masu

Daļiņas, piemēram, elektroni vai kvarki, mijiedarbojas ar Higsa lauku. Ja daļiņa mijiedarbojas ar šo lauku, tās kvantu lauka teorijā attiecīgajai lauka izpausmei ir tā sauktā Juka (Yukawa) mijiedarbība; šīs mijiedarbības stiprums nosaka, cik liela būs daļiņas masa. Vienkāršots analogs — kustēšanās caur visurklājošu "mēdiju" var šķist lēnāka nekā bez tā, tomēr šī līdzība ir tikai intuitīva un neapraksta procesu burtiski.

Higsa lauks vidē saglabājas ar nenulles vakuma vidējo vērtību (vacuum expectation value), kas kvantu lauku teorijā ir apmēram 246 GeV. Šī nenulles vērtība, kombinācijā ar daļiņu Juka mijiedarbības konstantēm, rada masām proporcionālu termiņu daļiņu Lagrandžiānā, un šis mehānisms ļauj W un Z vektorbosoniem un fermioniem (piemēram, elektronam) iegūt masas.

Svarīgi precizējumi

• Higsa lauks neveido matēriju no nekā. Tas nekonfliktē ar saglabāšanas likumi; enerģija laukā ir iekļauta teorijā, un masas termiņi rodas no lauka simetrijas spontānas saplūšanas (spontaneous symmetry breaking).
• Ne visas daļiņu masas rodas tikai no Higsa mehānisma. Piemēram, protonu un neitronu masas lielā daļa rodas no kvarku un gluonu mijiedarbību (kvantu hromodinamikas — QCD) saistīšanas enerģijas, nevis tieši no Higsa mijiedarbības.
• Gaisma (fotonu) paliek bezmasas. Fotoni nemijiedarbojas ar Higsa lauku tādā veidā, lai iegūtu masu, tāpēc tie turpina pārvietoties ar gaismas ātrumu. Tas izriet no to īpašajām simetrijām elektromagnētiskajā laukā.
• Higsa mehānisms nav vienīgais mehānisms gravitācijas izrietošajai ietekmei. Gravitācija vispārējā relativitātē rodas no enerģijas un impulsa sadalījuma telpā-laikā; ja Visumā nebūtu masu, arī gravitācijas ietekme būtu citāda, taču enerģija un stresa-enerģijas tensors joprojām ietekmētu telpas laika struktūru.

Ko nozīmē "Higsa efekts"

Masas piešķiršanu daļiņām bieži sauc par Higsa efektu. Tas nozīmē, ka caur Higsa lauka mijiedarbību fermioniem un daļiņām parādās masas termiņi — daļiņa "iegūst" masu nevis tāpēc, ka kaut kas to burtiski piekabinātu, bet tāpēc, ka lauka simetrijas stāvokļa dēļ daļiņu viedoklī parādās papildus enerģijas termiņi, kurus interpretē kā masu. No relativitātes perspektīvas, daļiņas ar nenulles m zaudē iespējumu pārvietoties ar gaismas ātrumu; tikai bezmasas daļiņas var sasniegt c.

Atklāšana un mūsdienu pētījumi

Higsa bozona novērojums 2012. gadā apstiprināja daudzas standarta modeles prognozes. Higsa bozona masas mērījumi (apmēram 125 GeV/c²) labi saskan ar eksperimentiem, taču pētniecība turpinās — fizikā vēlas precīzi izmērīt tā mijiedarbības stiprumus, meklēt iespējamus novirzienus no Standarta modeļa un izprast, vai pastāv paplašinājumi (piem., papildus Higsa lauki vai sasaistes ar tumšo matēriju).

Kopsavilkums

Higsa lauks ir centrāls elements mūsdienu daļiņfizikā, kas izskaidro, kā daļiņām rodas masai atbilstoši to mijiedarbībām ar lauku. Lai gan vienkāršas analogijas (“kustēšanās caur mēdiju”) palīdz saprast ideju, īstā fizika balstās uz kvantu lauku teoriju, spontānu simetriju laušanu un precīziem eksperimentāliem mērījumiem. Turklāt jāatceras, ka daļu daļu masu rada arī citas mijiedarbības (piem., QCD saistīšanas enerģija), tādēļ Higsa lauks nav vienīgais masas avots Visumā.

Daļiņām, kas mijiedarbojas ar šo lauku, tiek "piešķirta" masa, un, līdzīgi kā objektam, kas iet cauri treknumam (vai melasai), tās kļūst lēnākas, kad tās iet cauri šim laukam. Rezultātā daļiņai "iegūstot" masu no lauka, tiek novērsta tās spēja pārvietoties ar gaismas ātrumu.

Higsa efekts

Pirmo reizi teorētiski Higsa efektu 1968. gadā aprakstīja PRL simetrijas laušanas darbu autori. 1964. gadā trīs grupas uzrakstīja zinātniskus darbus, kuros ierosināja saistītas, bet atšķirīgas pieejas, lai izskaidrotu, kā masa varētu rasties lokālajās mērījumu teorijās.

2013. gadā Higsa bozons un netieši arī Higsa efekts tika provizoriski pierādīts Lielajā hadronu paātrinātājā (un 2012. gada 4. jūlijā Higsa bozons tika atklāts). Šis efekts tika uzskatīts par trūkstošās standarta modeļa daļas atrašanu.

Saskaņā ar mērījumu teoriju (teoriju, kas ir standarta modeļa pamatā) visām spēka daļiņām vajadzētu būt bezmasas daļiņām. Tomēr spēka daļiņām, kas ir vājā spēka starpnieki, ir masa. Tas ir Higsa efekta dēļ, kas lauž SU(2) simetriju (SU apzīmē speciālo unitāro matricu veidu, un 2 norāda uz iesaistīto matricu lielumu).

Sistēmas simetrija ir ar sistēmu veikta operācija, piemēram, rotācija vai pārvietojums, kas atstāj sistēmu būtībā nemainīgu. Simetrija ir arī noteikums par to, kā kaut kam vienmēr būtu jārīkojas, ja vien to neietekmē kāds ārējs spēks. Piemērs ir Rubika kubs. Ja mēs paņemam Rubika kubu un sajaucam to, izdarot jebkādus kustības, joprojām ir iespējams to atrisināt. Tā kā katrs mūsu izdarītais gājiens joprojām ļauj Rubika kubu atrisināt, varam teikt, ka šie gājieni ir Rubika kuba "simetrijas". Kopā tie veido tā saukto Rubika kuba simetrijas grupu. Jebkura no šiem gājieniem neizmaina mīklu, un tā vienmēr paliek atrisināma. Taču mēs varam izjaukt šo simetriju, piemēram, izjaucot kubu un saliekot to atpakaļ kopā pilnīgi nepareizi. Neatkarīgi no tā, kādus gājienus mēs tagad izmēģinām, kubu atrisināt nav iespējams. Kuba sadalīšana un salikšana atpakaļ nepareizā veidā ir "ārējais spēks": Bez šī ārējā spēka nekas, ko mēs darām ar kubu, nepadara to neatrisināmu. Rubika kuba simetrija ir tāda, ka tas paliek atrisināms neatkarīgi no tā, kādus kustības mēs veicam, ja vien mēs neizjaucam kubu.

Higsa bozona radīšana

Veidu, kā tiek lauzta SU(2) simetrija, sauc par "spontānu simetrijas laušanu". Spontāna nozīmē nejauša vai negaidīta, simetrijas ir noteikumi, kas tiek mainīti, un laušana attiecas uz to, ka simetrijas vairs nav tādas pašas. SU(2) simetrijas spontānas laušanas rezultāts var būt Higsa bozons.

Higsa efekta iemesls

Higsa efekts rodas tāpēc, ka daba "tiecas" uz zemākās enerģijas stāvokli. Higsa efekts radīsies tāpēc, ka Higsa lauka tuvumā esošie mērījumu bozoni vēlēsies atrasties zemākās enerģijas stāvokļos, un tas varētu izjaukt vismaz vienu simetriju.

Lai attaisnotu masas piešķiršanu daļiņai, kas varētu būt bezmasas daļiņa, zinātnieki bija spiesti darīt ko neparastu. Viņi pieņēma, ka vakuumā (tukšā telpā) patiesībā ir enerģija, un tādējādi, ja tajā nonāktu daļiņa, ko mēs uzskatām par bezmasas daļiņu, vakuuma enerģija tiktu pārnesta uz šo daļiņu, piešķirot tai masu. Matemātiķis Džefrijs Goldstouns pierādīja, ka, pārkāpjot kādu simetriju (piemēram, simetrija ar Rubika kubu būtu tāda, ja noteiktu, ka stūriem vienmēr jābūt pagrieztiem 0 vai 3 reizes, lai tie būtu atrisināmi (tas darbojas)), notiks reakcija. Rubika kuba gadījumā kubs kļūs neatrisināms, ja tiks pārkāptas šīs prasības. Higsa lauka gadījumā rodas kaut kas, kas nosaukts Džefrija Goldstona (un vēl viena zinātnieka, kurš strādāja kopā ar viņu, vārdā Joičiro Nambu) vārdā, proti, Nambu-Goldstona bozons. Tā ir vakuuma uzbudināta vai enerģētiska forma, ko var attēlot diagrammā, atklājot iepriekš redzamo. To pirmais izskaidroja Pīters Higss.

Tā sauktais "Meksikas cepures potenciāls"

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Higsa lauks?

J: Kāda ir fundamentālā daļiņa, kas ir saistīta ar Higsa lauku?

J: Kas notiek, kad daļiņas mijiedarbojas ar Higsa lauku?

Vai Higsa lauks rada masu?

J: Kāds ir daļiņas masas iegūšanas rezultāts no Higsa lauka?

J: Kas notiktu, ja Higsa lauks nepastāvētu?

J: Kas ir Higsa efekts?

Meklēt pēc burta