Warum wird die Higgs-Kopplung nicht als fünfte Grundkraft betrachtet?

Der Higgs-Austausch zwischen Materieteilchen kann durchaus als Kraft bezeichnet werden. Ob man darin eine fundamentale Kraft sehen kann, ist Geschmackssache. Aber es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen der Kraft aufgrund des Higgs-Austauschs und den üblichen fundamentalen Wechselwirkungen. Die starken und elektroschwachen Wechselwirkungen werden als Eichwechselwirkungen bezeichnet. Das bedeutet, dass sie nicht von Hand gesetzt werden, sondern automatisch entstehen, wenn Sie fordern, dass die Materiefelder unter bestimmten lokalen Transformationen (Phasenrotationen, Farbtransformationen usw.) invariant sind. Im Gegensatz dazu wird die "Higgs-Kraft" von Hand in das Modell eingefügt, da ihre Anwesenheit nicht durch Symmetrieüberlegungen getrieben wird. Sie können ebenso gut ein Modell ohne Yukawa-Kopplung in Betracht ziehen.

Kräfte und Wechselwirkungen sind ähnlich, also sollten wir vielleicht für die Zwecke dieser Diskussion Kraft als „Wechselwirkung mit einem masselosen Teilchen“ definieren, da dies die Möglichkeit von „Kräften“ im makroskopischen Bereich bietet (abgesehen von behindernden Effekten wie Einschluss oder Symmetriebruch). . Schließlich ist die Schwerkraft eine masselose, aber nicht-Yang-Mills-Kraft (vermittelt durch Spin-2, nicht Spin-1, Teilchen). Es gibt einige Einschränkungen, welche Spins (Darstellungen) von masselosen Teilchen in der Quantenfeldtheorie möglich sind, aber ich bin nicht vertraut genug, um zu versuchen, sie ohne weiteres zu zitieren, tut mir leid.

Skalare Felder übertragen Impulse in der klassischen Physik. Schauen Sie sich nur akustische Signale in einem Gas an. Ein starkes Geräusch kann Ihre Fenster zum Klappern bringen. Ein bekanntes Beispiel der Energieübertragung mittels Schall (Druckwellen) wird mit Stimmgabeln demonstriert. Die Quantentheorie spricht von Schall als Teilchen (Phononen), den diskreten Quanten quantisierter mechanischer Schwingungen eines Kristallgitters, dessen Längsmodus unserer makroskopischen Schallwahrnehmung entspricht. In der Quantenfeldtheorie müssen am Ende alle Felder quantisiert werden. Wenn ich es richtig verstanden habe, stellt das Higgs-Teilchen die diskreten Quanten des quantisierten Higgs-Feldes dar. Da das Higgs-Feld ein Skalarfeld ist, sind seine Quanten Bosonen. Sie tragen kinetische Energie, und diese Energie kann auf alle Quantenfelder übertragen werden, mit denen das Higgs-Feld interagiert. Sie müssen nur einen Blick auf den Lagrange werfen, um alle Felder zu sehen, mit denen der Higgs interagiert. Suchen Sie alternativ nach den verschiedenen Feynman-Diagrammen, die Higgs-Linien enthalten. Sie können dann leicht alle Partikel sehen, mit denen es interagiert.

Die Theorie der Teilchenphysik ist mathematisch als Eichtheorie mit der Gruppenstruktur SU(3)xSU(2)xU(1) organisiert . Diese haben Austauschbosonen, die vor der schwachen Symmetriebrechung eine Nullmasse haben und nach der Symmetriebrechung den drei Grundkräften Elektromagnetismus, schwach, stark zugeordnet wurden. Diese Assoziation ergibt sich aus der mathematischen Kontinuität, die notwendig ist, um vom mikroskopischen Rahmen der Quantenmechanik zum makroskopischen Rahmen der klassischen Elektrodynamik zu gehen, erweitert auf die starken und schwachen Kräfte.

Eine Kraft in der Mikrowelt der Feynman-Diagramme ist jeder dp / dt, Impulstransfer, in einer Wechselwirkung, die Teilchen austauscht, zum Beispiel in diesem Compton-Streudiagramm, das zur Berechnung des Wirkungsquerschnitts eines Photons dient, das an einem Elektron gestreut wird:

Es gibt ein dp/dt, und das virtuelle Austauschteilchen ist das Elektron. Es ist eine elektromagnetische Wechselwirkung, weil der ankommende Scheitelpunkt elektromagnetisch ist und die Kopplungskonstante des Elektromagnetismus hat. Der Elektronenaustausch zwischen Scheitelpunkten ist keine fundamentale Kraft.

Grundlegend sind die mit den Eichbosonen verbundenen Austauschvorgänge, da die Diagramme niedrigerer Ordnung, die die meiste Wahrscheinlichkeit für die Wechselwirkung liefern, der einfache Austausch eines Eichbosons sind, wenn die Quantenzahlen dies zulassen. Es ist der einfache Austausch virtueller Photonen, der die klassischen elektrischen und magnetischen Potentiale der klassischen elektromagnetischen Wechselwirkung aufbauen wird.

Das mit der Existenz der Masse der Elementarteilchen verbundene Higgs-Feld überträgt keinen Impuls, ist also keine Kraft; der Austausch des Higgs- Bosons ist in den entsprechenden Diagrammen auf der gleichen Ebene wie beispielsweise der Austausch von Elektronen (wie im Diagramm oben zu sehen), dh ein einfacher Transfer von dp/dt. Der Higgs-Mechanismus ist also nicht mit einer neuen fundamentalen Kraft verbunden.

Auf der Quantenebene sind es die Kopplungskonstanten, die die Art der Wechselwirkung definieren und grundlegend sind . Das Higgs-Boson liegt im elektroschwachen Sektor und wechselwirkt als neutrales Elementarteilchen nur mit der schwachen Kopplungskonstante an den Eckpunkten.

Ich stimme dem Kommentar von tparker zu: Es hat überhaupt keinen guten Grund.

Wie in diesem Blogbeitrag von Résonaances besprochen , gibt es eine Higgs-vermittelte Kraft zwischen Partikeln, die ein bisschen wie die skalare Gravitation ist, aber eine schwachkraftähnliche Reichweite hat. Seine Feynman-Diagramme sehen genauso aus wie die für andere Kräfte. Ich sehe keinen guten Grund, dieser Interaktion den Status der Grundkraft zu verweigern, angesichts der Tatsache, dass:

• Die Kernkraft , die von Nicht-Eich-Bosonen (Pionen) getragen wird, wird als Kraft bezeichnet. Keine fundamentale Kraft, da Pionen nicht fundamental sind, aber ansonsten der Higgs-Kraft ähnelt. Es gibt sogar eine Pion-Version des Higgs-Mechanismus .

• Die elektromagnetische Kraft wird fundamental genannt, obwohl ihr Kraftträger eine seltsame Mischung aus den fundamentalen Eichfeldern SU(2) und U(1) ist.

• Die schwache Kraft wird als Fundamentalkraft bezeichnet, obwohl sie kaum die Qualitäten hat, die man normalerweise mit einer Kraft assoziiert, und ihre Kraftträger seltsame Mischungen aus den fundamentalen Eichfeldern SU(2) und U(1) und dem fundamentalen Higgs-Feld sind .

Die Higgs-Kraft teilt die Schwäche der schwachen Kraft, nicht ganz fundamental zu sein, weil das Higgs, das wir sehen, nicht ganz das fundamentale Higgs-Feld ist. Aber es ist auch kein zusammengesetztes Teilchen. Ich neige dazu zu sagen, dass Gravitation, SU(3), SU(2), U(1) und die fundamentale Higgs-Kraft die fünf fundamentalen Kräfte unseres aktuellen Standardmodells sind, und Elektromagnetismus, die schwache Kraft und die niedrige -Energie-Higgs-Kraft sollte als "Zwergfundamentalkraft" klassifiziert werden.

Das Higgs-Feld ist kein Vektorfeld wie beispielsweise das Vektorpotential von EM. Sie entsteht durch die beobachtete Kopplung massiver Teilchen an das schwache Feld. Das Higgs-Boson ist also kein krafttauschendes Eichboson wie die anderen Bosonen des Standardmodells.

Wenn die Schwerkraft eine fundamentale Kraft ist, dann ist es auch der Higgs-Mechanismus. Dies gilt unabhängig davon, ob sie verwandt sind oder nicht. Der Higgs-Mechanismus ist sicherlich die Quelle der Trägheitsmasse, die Newton dazu inspirierte, zu quantifizieren, was eine Kraft ist und wie sie sich verhält.

Die Schwerkraft kann, wie der Higgs-Mechanismus, Masse/Energie zu Masse hinzufügen (wie eine konstante Beschleunigung), andere krafttragende Bosonen (Photonen) im Raum biegen oder sogar einschränken. Dies geschieht im Ereignishorizont von Schwarzen Löchern.

Der Higgs-Mechanismus ist nicht nur eine fundamentale Kraft, sondern die Art und Weise, wie er interagiert, ist zweifellos einzigartig unter den fundamentalen Kräften. Es verlangsamt und begrenzt die Reichweite von elektroschwachen Kraftträgern (W, Z), indem es die lokale Symmetrie bricht und ihnen Masse verleiht, ohne die Erhaltung von Masse / Energie zu verletzen.