Полето на Хигс, може с лекота да се предположи, е едно ново квантово поле, а "божествения" е неговият квант и в това няма нищо изненадващо – всички елементарни частици са кванти на съответните квантови полета. Електромагнитното поле е квантово, а съответатващата му елементарна частица е фотонът. По този начин полето на Хигс до известна степен, не по-загадъчно, отколкото електроните и светлината. Но все пак то има някои особенности.

1. Бозонното поле на Хигс е скаларно със спин 0

Полето може да се определи от единична стойност като температурата, т.е скаларно поле или за определянето му да са необходими и други стойности, определящи направлението във всяка точка – векторно поле.	Скаларно поле	Векторно поле

Спинът на частиците е нещо, която категоризира как ще се осъществява движението на частиците при Лоренцови преобразувания. Частици със спин единица се трансформират като триизмерни вектори и затова бозони със спин 1 се наричат и "векторни бозони". Те имат три независими степени на свобода, които определят ориентацията на спина им. Но само компонентите в напречната равнина (т.е. под прав ъгъл) на посоката на движението имат значение за частици със спин 1. С една дума, щом частица със спин 1 има само една степен на свобода, то тя е безмасова.

Частицата на Хигс трябва да има спин 0, така че нейното взаимодействие с други частици да не зависи от посоката. Ако тя има ненулев спин, нейното поле ще бъде векторно с определена посока във всяка точка. Ако такова поле генерира масата на всички други частици, то тяхната маса ще зависи от ориентацията на частиците спрямо полето на Хигс, но такова нещо не се наблюдава. Следователно полето на Хигс е скаларно, тъй като спин 0 означава, че то се държи като скаларно при трансформациите на Лоренц.

2. Полето на Хигс е релативистично

Едно от основните изисквания за всяка разумна физическата теория е тя се подчинява на правилата на Специалната теория на относителността (СТО). Първи опит за такова съгласуване става около 1930г. с уравнението на Дирак за частиците с спин 1/2 за квантовата електродинамика – една релативистична теория за електроните. От практическа гледна точка, това, което изисква това съгласуване със СТО е всички уравнения на теорията се държат нормално при каквито и да са Лоренцови трансформации. Целта е да се гарантира, че теорията не зависи от някаква специална избор на равномерно транслираща се координатна система.

Полето на Хигс е уникално с това, че е релативистично поле, то няма привилегирована отправна инерционна система. Скаларното поле на плътността на въздуха, например, има такава предпочитана система, защото една от тях е неподвижна спрямо въздуха. Но за полето на Хигс, всички наблюдатели са в покой по отношение на полето на Хигс, т.е. съществуването на ненулева стойност за релативистично скаларно поле, като полето Хигс не противоречи на специалната теория на относителността на Айнщайн.

3. Полето на Хигс има средна ненулева стойност

Знаем от квантовата теория, че всички частици представляват флуктуации, колебания, "вълнички", на много малки участъци поле: например фотоните са колебания на електромагнитното поле, електроните – на електронното поле и т.н. Тези локални колебания са около една постоянна средна стойност, която се нарича и вакуумен кондезат.

За фермионите (частиците на веществото), тази постоянна средна стойност на полето е нула. (Ако в определено пространство няма частици, полето на тези частици е нулево, т.е. има вакуум, ако има, то енергията на полето там е по-голяма от 0). Според квантовата теория на полето вакуумът (виж Вакуумно състояние на полето) е само едно от състоянията на полето, това с възможно най-малко енергия. За фермионите това състояние е нулевото състоянието.

Фермионните полета не могат да имат средна ненулева стойност, за разлика от бозоните и това е така заради принципната разлика между фермиони и бозони, която се корени в закона на Паули.

Наистина, бозонните полета могат да имат средна ненулева стойност, но при фотонните полета, при глюонните и при W и Z-полетата, експериментите не потвърждават това. Ако електрическото поле има ненулева средба стойност, заради това, че е векторно и има спин-1, тогава биха се проявили разнообразни ефекти, които обаче не се наблюдават, като най-значителния ефект би било очевидно нарушение на глобалната ротационна инвариантност.

За разлика от тези бозонни полета, полето на Хигс е скаларно със спин 0, така че, ако полето на Хигс има ненулева стойност, то не води до една привилегирована посока, както е при електрическото поле. Заради нулевата стойност на спина, полето на Хигс влиза в лагранжиана по необичаен начин, което от своя страна води до останалата част от неговите особености.

Основната идея на механизма на Хигс е въвеждането в теорията на допълнителнително поле, което прониква навсякъде (да речем образно – като въздуха) и което има едно своеобразно свойство – то не изчезва при вакуум. Полето на Хигс има ненулев вакуум, състоянието на най-ниска енергия на полето на Хигс има постоянна средна ненулева стойност или кондензат в цялата Вселена.

Ненулева стойност на полето на Хигс позволява то да се държи по един и същ начин и при нулева стойност. Оказва се, че полето на Хигс се проявява само чрез влиянието си върху масите на частиците или ако в Големия Адронен Колайдер се направи нещо драматично като например частицата Хигс.

От известната формула на Айнщайн: Е = m.c² излиза, че във физически вакуум, всички частици ще са безмасови, защото: Е_min = m_min.c² = 0

Но във вакуумът на полето на Хигс, всички частици придобиват маса, защото в него: Е_min = m_min.c²>0. Това може да се постигне чрез т.н. спонтанно нарушение на симетрията, за което ще говорим по-късно.

Да обобщим:

За повечето полета енергията се свежда до минимум, когато полето е нула навсякъде, когато частици липсват. Електронното поле, например, има минимална енергия, когато не няма никакви електрони.	Електрическото поле е векторно и има определена посока, така че, ако не беше средно нула в цяло пространството, ще има предпочитана посока, което ще е очевидно нарушение на инвариантността за ротационна симетрия.	Вакуумът на полето на Хигс е ненулев, това поле е необичайно : да бъде сведено до нула се изисква енергия, а енергията му е най-малка, когато полето е равно на някакава различна от нула стойност. Колебанията на полето на Хигс, по отношение на "средния вакуум" са бозоните на Хигс, квантите на поле на Хигс.

Потенциалът

Реките текат към морето. Природата предпочита стабилни състояния и се стреми към стабилно състояние, към най-изгодното състоятние. Това е състоянието с най-малко енергия.

Най-ниското енергийно състояние се нарича основно състояние.

Този модел тип "сомбреро" на потенциалната енергия е описан от Голдстоун, но има малък проблем, който по-късно механизмът на Хигс отстранява. За това може да прочетете в следващата публикация: Когато бозоните на Янг-Милс изядоха бозоните на Голдстоун.

Взаимодействията на Хигс с други частици

Друга характеристика на полето на Хигс е свързаниа с особеностите на взаимодействието му с други частици.

За това как бозонът на Хигс нарушава симетрията на полето на Янг-Милс и как безмасовите му векторни бозони се превръщат в масивни промеждутъчни векторни бозони W + , W – и Z° съм разказала в Електрослабата теория и механизма на Хигс. Процесът с придобиването на маса от фермионите ( веществените частици като лептони – електрон, неутрино и кварки) протича по различен начин от този с бозоните. Фермионите получават маса, пропорционална на напрегнатостта на полето, умножена по силата на взаимодействието. (Хигс и масата на фермионите)

Илюстрация: universe-review.ca

Илюстрация: universe-review.ca

Файнманови диаграми, представящи взаимодействието на Хигс бозона с други частици. представлява излъчване или поглъщане от частици тип кварк или електрон на Хигс бозон. диаграмата показва същия процес процес с участието на W-или Z-бозон. W- и Z-бозоните могат да взаимодействат едновременно с два Хигс бозона, както е показано на тази диаграма. Тя показва W- или Z- разсейване на Хигс бозона, грубо казано – сблъсък с него. Взаимодействията, представени на диаграмите 1, 2 и 3, отговарят за възникването на маса у частиците. В допълнение, бозоните на Хигс могат да взаимодействат и сами със себе си (4 и 5). Могат да бъдат представени по-сложни процеси като се свържат повече елементарни схеми.

Източник:

Загадки массы, Гордон Кейн (Gordon Kane)

К открытию бозона Хиггса, Валерий Рубаков.

Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии

Quantum Bits. What’s this Higgs boson anyway ?

Why the Higgs Field is Non-Zero on Average

Open Questions: Higgs Physics