Електроните, кварките, W, Z бозоните, дължат масата си на полето на Хигс.

Но полето на Хигс не е причина за цялата маса, например 98% от масата на протона е предизвикана не от Хигс, но от енергията на глуоните – връзката между кварките в квантовата хромодинамика. Глуоните нямат никаква маса, така че не им е необходим механизма на Хигс.

Както разбрахме от Какво трябва да е бозонното поле на Хигс?, квантовото поле на Хигс има ненулева стойност във вакуум – за която на английски се използва съкращението: VEV (vacuum expectation value) – очаквана стойност на вакуума. Тази стойност представлява фоновата вероятност да има Хигс бозон във всяка точка и всеки момент в пространство-времето. И след като тази стойност не е нула, означава че вакуумът е пълен с фонови бозони, които нямат импулс, защото са скалари, но могат да взаимодействат с други частици.

Хигс се появява от нищото и изчезва в нищото

Знаем, че обикновените частици не изчезват в нищото, без да бъдат погълнати от други частици. Когато материята и антиматерията се срещнат, те взаимно се унищожават, анихилират се помежду си, но се освобождава енергия под формата на фотони. Случаят с полето на Хигс е съвсем различен, защото “нищото” тук има ненулева средна стойност на вакуума.

В квантовата теория на полето, Файнмановите диаграми са най-нагледното нещо, което може да използваме за да изследваме взаимодействията между частиците.

За Хигс бозона, можем да въведем следната Файнманова диаграма: (един бозон на Хигс прекратява съществуването си)

Може да предположите, че Хигс частиците са нестабилни и затова изчезват, така че не могат да пречат на движението на фермионите, но в действителност, има прекалено много Хигс частици във вакуума. Те дават своя принос за масата на другите частици и изчезват като “дух”.

Как фермионите получават маса от Хигс във Файнманови диаграми

Тези диаграми показват взаимодействие на Хигс частица с фермион. Въздействието на Хигс частицата представлява приносът на маса за фермионите	Взаимодействието на Хигс частица с фермион може да се представи така (Хигс бозонът престава да съществува):	А би могло и да се съкрати до този вид:

Свикнали сме разглеждаме масата като присъщо изначално свойство на частиците, но сега бихме могли да ги формулираме с помощта на диаграмите на Файнман като напълно безмасови частици, които получават масата си в хода на редица взаимодействия с Хигс частици.

Частиците, които имат по-голяма маса, като горния кварк или Z-бозона, имат по-чести взаимодействия за приемане на маса:	Една по-лека частица, като електрона, ще има по-малко такива взаимодействия.	А това, ако можем да си позволим да кажем, е файманова диаграма на взаимодействие на Хигс полето с фотон (по-скоро липсата на всякакво взаимодействие)

Кръстовете показват прекратени линии на Хигс частици. Изглежда като че ли фермионите се блъскат във вакуумната средна стойност на полето на Хигс (VEV).

Можем да приемем, че всички частици са безмасови, но взаимодействието им с Хигс генерира маса. Частиците, които взаимодействат по-силно с Хигс имат по-голяма маса, а частиците, които взаимодействат по-слабо с Хигс имат по-малка маса.

Фотонът, както знаем, няма маса и може да се очаква, че полето на Хигс не взаимодейства с фотони. Ако имаше кръстчета, това би означавало, че във върховете фотонът взаимодейства с Хигс и така би се породила маса у фотона.

Като безмасови, частиците би трябва да се придвижват със скоростта на светлината, но вместо това, те се колебаят напред-назад. Мигновено движение на електрона се случва със скоростта на светлината, но общото средно движение на електрона се характеризира със скорост по-малка от скоростта на светлината. Забележете, че въпреки че скоростта се променя през цялото време, посоката на спина остава постоянна в система в покой спрямо на електрона.

Илюстрация: modcos.com

В диаграмите има нещо като намек за “сблъсъци с Хигс”, което изглежда има нещо общо с инерцията, но защо точките на взаимодействие с прекъснатата линия на Хигс трябва да се интерпретират като маса?

От специалната теория на относителността знаем, че има много голяма разлика между частици с маса и такива, които имат макар и малка маса. По-късно ще разберете, че това дали може да се настигне по принцип една частица е определящо за масата й.

За да проучим по-подробно проблема с “придобиването на маса”, трябва да разгледаме още някои понятия

Спиралност. Хиралност

Спиралността е характеристика на състоянието на една елементарна частица и представлява проекцията на спина на частицата върху направлението на движението на частицата

Спиралността се определя лесно като пръстите на ръката по направление на спина, а палеца сочи посоката на движение на частицата. Ако това може да направите с дясната си ръка, тогава спинът е насочен от движение на частици, а спиралността е положителна. Ако можете да го направите с лявата ръка, тогава спинът е обратен на посоката на движението на частиците, спиралността е отрицателна.

Спиралността е проекцията на спина на частицата върху направлението на движението ѝ.

Спрямо спиралността безмасовите и масивните частици се държат по различен начин.

Спиралност на масивните частици

Тъй като една масивна частица се разпространява в пространството със скорост, по-малка от скоростта на светлината, това означава, че съществува наблюдател (отправна инерционна система), който ще се движи по-бързо от нея. Спрямо такъв наблюдател, тя ще изглежда, че се движи “назад”, той би видял “въртенето” й с обратна посока на това, което би видял наблюдател, по-бавен от нея.

за отправна система, движеща се по-бавно от частицата		за отправна система, движеща се по-бързо от частицата	Представете си, че се движите с кола след бетоновоз. Когато го изпреварите и погледнете назад, ще видите, че посоката на въртене му се е променила

За масивните и следователно бавни частици, спиралността не се запазва – в отправна система, по-бавна от частицата, проекцията има един знак, а в отправна система, която се движи по-бързо, отколкото частицата, проекцията ще има обратен знак, тъй като се променя посоката на движение. Те са Лоренцово неинвариантни.

Спиралност на безмасовите частици

За безмасовите частици положението е различно – те се движат със скоростта на светлината и теорията на относителността не позволява движение с по-висока скорост. Не съществува наблюдател, който би ги изпреварил. Това означава, че спиралността им във всички отправни системи е една и съща, т.е.спиралността им е Лоренцово инвариантна.

Хиралността

Хиралността е свойството, което позволява да се различи един обект от отражението му в огледалото. Лявата ни ръка изглежда дясна в огледалото и неслучайно коренът на думата означава ръка. За хиралността в химията и като проблем за разрешаването на загадката на живота вече съм писала в Свойството хиралност, но във физиката на елементарните частици, тя има друг по-абстрактен смисъл и се въвежда за да се отстрани зависимостта от избора на наблюдател при определянето на спиралността. Защото например, при слабото взаимодействие, се нарушава четността, както се установи в опитът на Ву - лявоориентираните и дясноориентираните частици се държат по различен начин. Затова е необходимо свойството хиралност, различно от спиралността, като една присъща и непроменима характеристика на частицата.

Ако имаме частица с лява спиралност, то знаем, че трябва да има и версия на частицата с дясна спиралност. А една частица с лява хиралност не се нуждае непременно от партньор с дясна хиралност.

Частиците с различни хиралности са различни частици, а една и съща частица може да има различни спиралности.

Каква е разликата?

*Тук съм въвела понятието “слаб заряд” – зарядът на слабите взаимодействия, по аналогия на електрическия заряд. Той се определя по това дали една частица взаимодейства с W бозоните.

За безмасовите частици-като фотона, глуона и хипотетичния засега гравитон – хиралността съвпада със спиралността. Може също да се каже, че ако частиците при прекъснато огледално преобразувание сменят спиралността си, то те имат маса.

Физическият смисъл на хиралността е фазата на вълновата функция на частицата. При ротация на фермиона, вълнова му функция се отмества по начин, който зависи от хиралността на фермиона – левите и десните хирални фермиони я отместват противоположни посоки.

Илюстрация: quantum diaries

Хирална теория

Стандартният модел е хирална теория. Според хиралната теория, частиците с лява и частиците с дясна хиралност се държат по различен начин.

Нека вземем за пример електрона и неговата античастица – позитрона. За опростяване, ще приемем, че са безмасови, за да съвпадне тяхната хиралност със спиралността им.

	електрон	анти-електрон	позитрон	анти-позитрон
					Със синьо са оцветени античастиците, зеленият ореол отличава позитроните, които не могат да взаимодействат с W бозоните.
хиралност	лява	дясна	лява	дясна
заряд	-1	+1	+1	-1
взаимодейства ли с W бозоните?	да	да	не	не

Природата различава ляво и дясно-хиралните частици и все пак се забелязва явна симетрия.

Например, W бозоните взаимодействат само с ляво хирални електрони и дясно хирални анти-електрони, а не взаимодействат с дясно хирални позитрони и ляво хирални анти-позитрони.

Масите са смес от различни частици

“Физическата” частица, която се разпространява през пространството е смес от две отделни частици. Например един “физически електрон” с ефективна маса (на покой) е квантовата смес от електрон или анти-позитрон като ту единия, ту другия се наблюдава. Всички разсъждения понататък се отнасят за всякакви други частици на Стандартния модел, с изключение на неутриното.

W-бозонът взаимодейства с “физическия електрон” само чрез електронния му компонент, но не и с анти-позитрония му компонент. “Физическият електрон” наследява взаимодействията и на двете частици.

Ако обърнете внимание, ще видите, че “физическият електрон” и “физическият позитрон” се оказват античастици една на друга.

Флип Танедо привежда аналогията със смесването на аромати. Това са различни частици, които могат да се разпространят заедно по същия начин, както и различните аромати са различни частици, които са смесени в една от друга.

“Физическият електрон” съдържа два пъти повече степени на свобода: на електрона и на анти-позитрона.

Хигс смесва лявоориентиран електрон с дясноориентиран анти-позитрон

Частиците могат да се смесват само, ако имат едни и същи квантови свойства. Електронът и анти-позитрона имат един и същ електрически заряд (-1), ако имаха различни електрически заряди, би било невъзможно да се смесят. Електронът носи слаб заряд (взаимодейства с W бозоните), докато анти-позитронът не носи слаб заряд и затова не би трябвало тези две частици да могат да се смесват.

Съществуването на тази смес е невъзможно, но тя се допуска заради средната ненулева стойност на полето на Хигс, която нарушава запазването на слабия заряд и позволява на електрона да се смесва с анти-позитрона, въпреки различните им слаби заряди. Вакуумната средна стойност на полето на Хигс абсорбира разликата в слабия заряд между електрона и анти-позитрона. Това явление се нарича нарушаване на електрослабата симетрия.

Масата на фермионите в диаграми на Минковски

Пространствено-времевата диаграма на Минковски са двумерно графично представяне на Лоренцовите трансформации като на хоризонталната ос се отложат обобщено пространствените разстояния, а по вертикалата – времевите интервали. Правите под 45 градуса показват събития, протичащи със скоростта на светлината, а тази която минава през нулата очертава “светлинния конус”.

Електроните и с лява и с дясна хиралност имат един и същ заряд и взаимодействат с фотоните и по ляв и десен начин. Квантовата електродинамика е независима от хиралността.

Само лявоориентирани фермиони имат слаб заряд, дясноориентираните не взаимодействат с W бозоните.

		Взаимодействието с бозона на Хигс запазва слабия заряд и създава маса. Фермионните маси се генерират спонтанно от поредица взаимодействия с полето на Хигс около пространствено-времевата ос на частицата..
Схемите са по идея на Christopher T. Hill, Fermilab

Обобщение

Частиците със спин 1/2, фермионите при взаимодействие с полето на Хигс променят посоката на своя спин спрямо импулса си, т.е. хиралността им става сменяема.

Една масивна частица със спин-1/2 има две хиралности, които преминават една в друга, а масата представлява скоростта на смяната на хиралността.  За да се произведе масивна частица със спин-1/2 , трябва две частици с противоположни хиралности и със едни и същи заряди, които могат да се превръщат една в друга, без да се нарушава запазването на заряда.

Ако фермионите имат различни заряди, те не могат да бъдат масивни. Но след като съществува средна ненулева стойност на Хигс полето, фермионите може да преминават от едно състояние в друго поглъщайки Хигс частица, променяйки по този начин слабия си заряд и едновременно с това обръщайки хиралността си.

Този процес “слепва” двойки кварки и или двойки лептони (като електрона и анти-позитрона), които заедно вече имат маса. Тази маса представлява скоростта на обръщането на хиралността и се определя от плътността на енергията на очакваната стойност на полето на Хигс и степента, с която всеки фермион взаимодейства с него.

… и едно “по-лесно” обяснение

Представете си, че цялата Вселена е пълна до горе с пластична глина, през която си проправят път безмасовите частици – по по-бързите изпитват по-малко съпротивление, по-бавните – стават по-масивни, а тези, които се движат със скоростта на светлината минават без да бъдаъ повлияни.

Източник:

Киральность Харзеев Дмитрий «Эксперт» №32 (814)

What is Higgs particle ?

Helicity, Chirality, Mass, and the Higgs, Flip Tanedo, quantum diaries

A diagrammatic hint of masses from the Higgs, Flip Tanedo, quantum diaries

The Standard Model of Electroweak Physics, Christopher T. Hill, Head of Theoretical Physics Fermilab

Путь к реальности, Пенроуз

НЕЛИНЕЙНАЯ КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ КАК ОБОБЩЕНИЕ СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛИ. Теория массивного нейтрино А.Г. КИРЬЯКО