Warum wird angenommen, dass Gluonen masselos sind?

Einfach ausgedrückt, das Higgs wird nicht unter der starken Kraft aufgeladen. Es hat auch keine Standard-Elektroladung. Das$W^{\pm},Z$Bosonen erhalten durch den Higgs-Mechanismus eine Masse, weil das Higgs selbst unter der schwachen Kraft aufgeladen wird. Leptonen erwerben Massen durch den Higgs-Mechanismus, weil auch sie mit dem Higgs interagieren.

Keine Higgs-Wechselwirkung bedeutet keine effektive Masse.

Sie fragen, warum das Higgs nicht mit Gluonen interagiert. Es hat mit den Quantenzahlen (Ladungen) der Elementarteilchen im Standardmodell zu tun. Es stellt sich heraus, dass man die Quantenzahlen für die verschiedenen Teilchen nicht frei wählen darf. Wenn Sie eine schlechte Wahl treffen, würden Sie die Eichinvarianz verletzen und eine widersprüchliche Theorie haben. Dies legt relativ strenge Beschränkungen für die erlaubten Quantenzahlen fest. Weitere Einzelheiten finden Sie unter Gauge Anomaly .

Grundsätzlich schränken die bekannten Quantenzahlen der anderen Standardmodellteilchen die erlaubten Quantenzahlen des Higgs ein und verbieten insbesondere eine Gluon-Higgs-Wechselwirkung. Wenn Sie diese Wechselwirkung hinzufügen wollten, würden Sie notwendigerweise die Existenz anderer Teilchen implizieren, um alle Ladungen der Theorie auszugleichen. Ich weiß nicht, ob das möglich wäre, aber es ist eine Frage der einfachen Algebra, um es herauszufinden.

Man muss sich klarmachen, dass das Standardmodell, das die SU(3)xSU(2)xU(1)-Struktur hat, als Standard bezeichnet wird, weil es eine enorme Anzahl von Teilchendaten extrem gut beschreibt und in seinen Vorhersagen für neue erfolgreich ist Experimente. Wie Luc J. Bourhis in seiner Antwort untersucht, hält dies Theoretiker nicht davon ab, über die Standardmodelltheorien hinaus zu forschen.

Das Standardmodell ist ein quantenfeldtheoretisches Modell, was bedeutet, dass es präzise Vorhersagen zur Auswertung von Feynman-Diagrammen enthält, die zum Anpassen oder Vorhersagen experimenteller Daten verwendet werden. In seiner mathematischen Struktur gibt es zwischen den elektroschwachen Bosonen (W, Z, γ) der Tabelle und dem Gluon keinen einfachen Scheitelpunkt, dh niedrigste Ordnung (Schleifen höherer Ordnung können eine Wechselwirkung ergeben).

Durch Konstruktion der Mathematik des Modells "sieht" also das Gluon das Higgs-Feld nicht. Da die bloße Existenz des Konzepts eines Gluons von der Mathematik des Standardmodells abhängt, bedeutet unser "Glaube" an das Standardmodell masselose Gluonen. Andere Theorien existieren jenseits des Standardmodells, die eine Kopplung geben können, ( Beispiel ) aber sie sind jenseits des Standardmodells. Stellen Sie sicher, dass die Experimente auf Diskrepanzen mit dem Standardmodell testen, die auf ein massives Gluon zurückzuführen sein könnten.

Frage im Kommentar:

Könnten Sie bitte erläutern, wie Sie von den schwachen Bosonen zum Higgs-Feld gesprungen sind?

Das hat damit zu tun, dass Feynman-Diagramme mit bestimmten Regeln für die Felder aller Elementarteilchen in der Tabelle formuliert werden, einschließlich des Higgs-Felds. Also in einem einfachen Diagramm der ee-Streuung,

die Elektronenerzeugungs-/-vernichtungsoperatoren arbeiten nacheinander auf dem Elektronenfeld, wenn ein erzeugtes Elektron mit dem Photonenfeld interagiert, und Photonenerzeugungsoperatoren erzeugen ein virtuelles Photon, das mit dem Elektronenfeld interagiert und ein ausgehendes Elektron erzeugt.

Daher sollte in der Feldtheorie die Scheitelpunktkopplungskonstante mit dem Feld existieren, damit die Wechselwirkung stattfinden kann und in diesem Fall ein Photon erzeugt werden kann.

Aufgrund der Nullmasse gibt es keine Kopplungskonstante für das Vertex-Gluon-Higgs-Feld, um ein virtuelles Higgs zu erzeugen und von dort aus weiterzumachen. Nur höhere Quark-Schleifen können wirken , dh kleben an q q_bar, virtuelle Higgs-Schleife Higgs-Meson aus Gluon-Fusion.

Bearbeiten nach Bearbeiten von OP:

Das ist für das Higgs - Boson in Ordnung , aber nicht für das Higgs -Feld

Das Higgs hat eine schwache Ladung und interagiert daher mit den W- und Z-Bosonen und verleiht ihnen so Masse. Das Higgs hat keine elektrische oder Farbladung und interagiert daher nicht mit dem Photon oder den Gluonen, wodurch sie masselos bleiben.

Die Masse, die die Elementarteilchen des SM-Tisches annehmen, kommt von der Wechselwirkung mit dem Higgs-FELD , nicht dem Higgs-Boson. Das Higgs-Boson ist nur ein weiteres massives Teilchen in der Elementarteilchentabelle:

Dies sind die einzigen Massen, die das Higgs-Feld erzeugt. einschließlich des Higgs-Bosons selbst. Alle anderen Massen stammen aus speziellen Relativitätsbeziehungen, der unveränderlichen Masse der addierten vier Vektoren zusammengesetzter Teilchen.

Das Standardmodell hat eine Lagrange-Funktion, die die experimentell beobachteten SU(3)xSU(2)xU(1)-Symmetrien in Partikeldaten beschreibt, und jeder Vergleich hängt von Feynman-Diagrammberechnungen innerhalb dieses Modells ab, wo es strenge Regeln für die Austauscheckpunkte gibt.

Jedes Elementarteilchen in der Tabelle definiert ein Feld im vierdimensionalen Raum, und das Teilchen wird auf diesem Feld betrachtet und angeregt. Das Elektron ist eine Anregung des Elektronenfeldes, das Higgs-Boson ist die Anregung des Higgs-Feldes.

Die Elementarteilchen in der Tabelle erhalten keine Masse, indem sie etwas in Form von Feynman-Diagrammen austauschen. Die Masse wird einmalig erfasst, zum Zeitpunkt der Symmetriebrechung der elektroschwachen Wechselwirkung, wo sich die drei Kopplungen annähern:

wenn sich die Kopplungen des Schwachen und des Elektromagnetischen aufgrund des Higgs-Feldes ändern. Man muss dies mathematisch untersuchen, um sich davon zu überzeugen, aber Tatsache ist, dass das Standardmodell, wie es jetzt bekannt ist, praktisch alle Daten der Teilchenphysik beschreibt und neue sehr gut vorhersagt, wie die LHC-Erfahrung zeigt.

Die Gluonen sind masselos wie das Photon und wie Z und W vor dem Symmetriebruch masselos waren.

Wiederum ist es das Higgs -Feld , das den Elementarteilchen die Masse gibt, nicht das Boson.

Ich stimme @Mr.Weather nicht zu. Schließlich halten alle theoretischen Argumente nicht viel Wasser. Wir könnten sehr gut eine sehr kleine Gluonmasse haben, die die mathematische Schönheit des Standardmodells stark brechen würde, aber mit wenig genug Konsequenzen, die wir noch nicht bemerkt haben. Der ultimative Richter ist das Experiment. Immer genauere Experimente. Schauen wir uns an, wie wir Gluonen dann eine Masse geben können.

0. Vorbehalt: Grundmasse vs. effektive Masse

Gluon, wie Quarks, erhalten eine effektive Masse durch die Dynamik der QCD: Naiv verkleiden sie sich mit Wolken von Gluonen. Die Berücksichtigung einer solchen Gluonmasse, die in der Größenordnung von 1 GeV liegt, hat sich als wichtig erwiesen, um experimentelle Ergebnisse für den Zerfall zu erklären$J/Psi\to gg\gamma$und ähnliche Zerfälle von$\Upsilon$. Dies unterscheidet sich von einer fundamentalen Masse, die auf der Ebene der Lagrange-Funktion der Theorie erscheint (und tatsächlich hängt diese effektive Masse von dem bestimmten zu untersuchenden Prozess ab). Sie fragen eindeutig nach Letzterem, aber ich wollte dies klären.

1. Nackte Masse

Bevor ich auf Ihre Frage zum Higgs-Mechanismus eingehe, muss ich erwähnen, dass wir QCD "von Hand" einen Massenterm hinzufügen könnten. Theoretiker verachten diese Lösung, weil wir die lokale Eichsymmetrie und Renormierbarkeit brechen, aber auch hier wäre die Natur der letzte Richter darüber. Aber fairerweise ist die Renormalisierbarkeit eine große Sache. Theoretiker führen viele Störungsrechnungen durch. Nehmen wir an, die Kopplungskonstante einer Theorie ist$\alpha$. Bestellbedingungen kann man berechnen$\alpha$, dann$\alpha^2$,$\alpha^3$, usw. mit zunehmend viel mehr Arbeit, aber das ist eine andere Geschichte: Dies ist eine störende Berechnung. In einer nicht renormierbaren Theorie führt typischerweise jede Ordnung neue Konstanten ein, die an experimentelle Daten angepasst werden müssen. Und ja, das bedeutet, dass es letztendlich unendlich viele unbekannte Konstanten in der Theorie gibt. In der renormierbaren Theorie ist dies nicht der Fall: Es gibt nur eine endliche und kleine Anzahl von Konstanten, die wir im Voraus kennen und die sich nicht ändert, wenn wir uns Reihenfolge für Reihenfolge auf der Störungsleiter nach oben bewegen. Daher hat eine renormierbare Theorie typischerweise eine weitaus größere Vorhersagekraft. Also ja, das Standardmodell hat alle Kopplungen mit den Higgs, die unbekannt sind, und die Mischmatrizen zwischen Quarks und Neutrino-Flavours, die ebenfalls unbekannt sind, aber zumindest haben wir sie alle, ein für alle Mal.

2. Farbiges Higgs

Der Higgs-Mechanismus kann angepasst werden, um Gluon eine Masse zu verleihen. Möglichkeiten gibt es eigentlich genug. Sie sind viel zu technisch, als dass ich versuchen könnte, sie zu erklären. Es genügt zu sagen, dass diese Lösungen mehr als ein Higgs-Feld haben, das eine Farbnummer trägt. Einige von ihnen sagen sowohl massive als auch masselose Gluonen voraus. Solche Modelle sind a priori attraktiver, weil sie die Renormierbarkeit bewahren.

Eines der Probleme bei solchen Modellen ist folgendes: die sogenannte Laufkonstante der QCD-Kopplung, bezeichnet$\alpha_S$. In einfachen Worten,$\alpha_S$hängt von der Energieskala ab$\mu$des Prozesses: es wächst wie$\mu$sinkt. Dies erklärt, warum die Wechselwirkung bei niedriger Energie in gebundenen Zuständen wie Mesonen und Baryonen so stark ist und warum sie bei hoher Energie, z. B. bei LHC-Energien, ziemlich schwach ist, ein Phänomen, das als asymptotische Freiheit bezeichnet wird (dh die Quarks werden als Energieskala zunehmend freier). steigt). Wie stark sie abnimmt, hängt von der Anzahl der Teilchen ab, die die starke Wechselwirkung spüren können. Es ist sehr gut experimentell verifiziert, dass die Variation von$\alpha_S$ist kompatibel mit 5 Quarks über der Masse des Quarks$b$(das Top-Quark zerfällt zu schnell, um irgendeine Rolle zu spielen) und 4 Quarks zwischen denen des Quarks$c$und$b$. Aber jetzt fügen wir dieser Zählung Higgs-Bosonen hinzu. Das schließt leichtes Higgs aus. Schlimmer noch, die Kopplung von Higgs mit sich selbst wächst mit der Energieskala, und da Quarks jetzt durch diese Higgs interagieren können, könnte dies leicht die sehr asymptotische Freiheit von QCD brechen, die fantastisch gut getestet ist.

3. Zusammengesetztes Higgs

Es gibt auch Modelle, bei denen das Higgs ein Composite ist. Ein Kondensat aus Fermionen, das eine andere Eichwechselwirkung spürt als die im Standardmodell. Die Eichsymmetrie wäre also das Standardmodell$SU(3)_c\times SU(2)_L\times U(1)_Y$aber dann$\times SU(2)_{c'}$und es gäbe zwei neue Fermionen, die einzeln wären$SU(2)_L$aber zumindest koppeln sie wie normale Quarks an Gluon und koppeln natürlich an die neue Eichwechselwirkung. Ein Beispiel findet sich in [2], wo geschlussfolgert wird, dass es tatsächlich eine zu hohe Gluonmasse vorhersagt.

4. Experimentieren

In jedem Fall haben Messungen das letzte Wort. Es gibt ein paar Effekte, nach denen gesucht wurde. Zuerst mit einer Masse$m_g$für das Gluon wird das Potential für die starke Wechselwirkung für Entfernungen im Wesentlichen 0$r>1/m_g$während es darunter linear mitwächst$r$. Es gibt also eine Potentialbarriere bei einer Energie$E_*$proportional zu$m_g$. Mit ausreichend energischen Kollisionen sollten wir daher in der Lage sein, die Quarks in Protonen über diese Barriere zu bringen. Oder die Quarks könnten durch die Barriere tunneln und das Proton instabil machen. Das letzte Argument ist kosmologischer Natur: Beim frühen Urknall bewegen sich Quarks frei herum. Wenn die Energie untergeht$E_*$, einige Quarks werden eingeschlossen, aber einige bleiben außerhalb der Potentialbarrieren, wenn sie weiter als wären$1/m_g$von einem anderen. Wir sollten also freie Quark-Relikte haben. Ich zitiere hier aus dem Gedächtnis einen Artikel von Yndurain [1], der in den Rezensionen der Particle Data Group zitiert wird. Es ist ziemlich alt und älter als die theoretischen Ideen, die ich oben in 2) und 3) entwickelt habe. Ein kurzer Blick auf die Preprint-Datenbank arXiv [2], die sich zum Ziel gesetzt hat, auf [1] tatsächlich zu aktualisieren, und die die Modelle überprüft, über die ich in 2) geschrieben habe.

[1] FJ Ynduráin. Grenzen der Masse des Gluons. Physics Letters B, 345(4):524 – 526, 1995.

[2] https://arxiv.org/abs/1005.0850v1