Как безмассовая частица может обрести массу?
Элементарная частица может приобрести определенную массу в зависимости от того, как она взаимодействует с полем Хиггса.
Понятие массы всегда занимало центральное место в физике; на протяжении многих лет оно ставило перед учеными ряд очень важных и глубоко волнующих их вопросов. Для начала, почему частицы вообще имеют массу? И наоборот, не может ли масса рассматриваться как данность?
Поэтому, когда была поймана частица со свойствами бозона Хиггса, физики были в восторге. Причина, по которой эта столь желанная сущность приобрела такое большое значение, заключается в том, что она способна объяснить, что придает частицам их массу.
Стандартная модель физики элементарных частиц, возможно, была самой успешной попыткой физиков описать видимую материю во Вселенной на фундаментальном уровне с помощью всего лишь нескольких ингредиентов.
Стандартная модель, которая рассказывает нам, из чего состоит материя (фермионы) и как она держится вместе (бозоны), предполагает, что все частицы изначально безмассовые, но наделяются массой благодаря взаимодействию с гипотетическим полем Хиггса, которое пронизывает Вселенную. В этом заключается суть механизма Хиггса. В то время как одни частицы игнорируют поле Хиггса, другие взаимодействуют с ним, поэтому они приобретают массу, в то время как другие остаются безмассовыми.
Связь между полем Хиггса и бозоном Хиггса
Хотя наше понимание того, что представляет собой наблюдаемая Вселенная, прошло долгий путь с тех пор, как древние думали, что все сводится к четырем элементам - воздуху, воде, огню и земле, из которых состоит все в нашей Вселенной, в наших попытках найти наименьшую неделимую единицу материи у многих сложилось впечатление, что именно частицы являются фундаментальными.
Однако, согласно современной физике, все обстоит не так. Оказывается, фундаментальными являются поля.
Итак, что же такое поле? Все мы ощущали эффект поля, когда держали магнит рядом с куском железа. Поле - это то, с помощью чего один объект может воздействовать на другой без какого-либо физического контакта между ними.
Например, поле может быть магнитным, как в случае с магнитным полем Земли, которое влияет на компасы, или гравитационным, как в случае с полем, которое притягивает нас к Земле.
Каждая частица в стандартной модели имеет связанное с ней поле. То, что мы воспринимаем как частицы, на самом деле является возбуждением полей, подобно волнам в океане. Бозон Хиггса, как и все другие частицы, тоже возникает в результате возбуждения связанного с ним поля - поля Хиггса.
Чтобы доказать существование этого дающего массу поля Хиггса, теория, разработанная Питером Хиггсом и его коллегами, требовала, чтобы бозон Хиггса проявился в результате возмущения, созданного в поле Хиггса.
Пустое пространство или вакуум на самом деле не пустое, но в нем есть бесчисленные виртуальные частицы, связанные с различными полями, которые то появляются, то исчезают. Однако в вакууме математическое ожидание этих полей оказывается равным нулю, а это означает, что в среднем мы можем считать, что идеальный вакуум лишен частиц. Только поле Хиггса имеет ненулевое математическое ожидание в вакууме, т.е. все пространство заполнено им. Всепроникающая природа поля Хиггса - это то, что позволяет ему взаимодействовать с элементарными частицами и наделять их массой!