Wie wörtlich soll man „Das Higgs-Boson gibt anderen Teilchen Masse“ nehmen?

Das Higgs-Feld (beachten Sie, dass hier das Feld wichtig ist, nicht das Higgs-Boson selbst, das nur eine Welle im Higgs-Feld ist) gibt Teilchen Masse in demselben Sinne, wie die starke Kraft die Masse des Protons gibt (Kontext:$99\%$der Masse des Protons kommt nicht von der Masse seiner konstituierenden Quarks, sondern von der Tatsache, dass grob gesagt die Quarks eine große Menge an kinetischer Energie haben, aber durch die starke Kraft gebunden sind). Wenn irgendeine Kraft Energie auf einen kleinen Raum beschränkt, dann hat diese gebundene Energie eine Masse, die durch gegeben ist$E=mc^2$. Das macht das Higgs-Feld: Es bindet ein masseloses Teilchen in einen kleinen Raum und damit durch$E=mc^2$(und die Tatsache, dass das Teilchen jetzt einen Bezugsrahmen hat, in dem es stationär ist), hat dieses Teilchen eine effektive Ruhemasse.

Ein intuitives Gefühl dafür zu bekommen, was vor sich geht, als Übung, die man ableiten kann$E=mc^2$indem man ein Photon betrachtet, das durch eine Spiegelbox eingeschlossen ist. Das Photon prallt hin und her und übt Druck auf den Spiegel aus, und wenn Sie versuchen, die Box zu schieben, hat sie eine Trägheit, da das Photon mehr Druck auf die Vorderseite des Spiegels als auf die Rückseite ausübt. Wenn Sie es ausrechnen, werden Sie feststellen, dass der Spiegelkasten eine effektive träge Masse von hat$m=E/c^2$. Das Higgs-Feld liefert eine Kraft, die wie dieser Spiegelkasten wirkt und dadurch dem Teilchen darin Masse "verleiht".

Kurze Antwort: nicht wörtlich nehmen, ohne weiteren Kontext .

Um die Rolle des Higgs-Bosons im Standardmodell zu verstehen, ist es notwendig, sich den Rahmen genauer anzusehen, in dem wir Elementarteilchen beschreiben: die Quantenfeldtheorie.

In diesem Ansatz werden Teilchen als Anregungen von Feldern beschrieben, die sich über die gesamte Raumzeit erstrecken. Der Grundzustand des Feldes entspricht dem Vakuum, was wir Teilchen nennen, entspricht den Anregungen des letzteren. Wenn Sie mit Quantenmechanik vertraut sind, denken Sie an einen harmonischen Oszillator, um das Konzept zu verstehen.

Der Punkt ist nun, dass der Massenerzeugungseffekt auf das Vorhandensein des Feldes zurückzuführen ist, nicht auf das damit verbundene Teilchen . Die Existenz des Teilchens ergibt sich als eine Art Konsistenzbedingung, die kürzlich am LHC bestätigt wurde.

In diesem Sinne hängt die Antwort auf Ihre Frage ganz davon ab, was Sie unter "Higgs-Boson" verstehen : Massive Teilchen zu haben bedeutet nicht, dass sie ständig von Bosonen im Sinne von Teilchen umgeben sind. Sie sind viel zu schwer, um eine praktikable Option zu sein, da 125 GeV weit über dem liegen, was man im täglichen Leben erlebt (ein Proton kommt auf eine Ruhemasse von fast 1 GeV).

Für einen Teilchenphysiker ist es offensichtlich, dass „Boson“ sich auf eine Eigenschaft des Feldes als Ganzes bezieht und nicht auf dessen Anregung. Ein Laie wird es jedoch mit einem Teilchen in Verbindung bringen, das sich durch die Raumzeit bewegt. Daher sollten Sie diesen Satz nicht wörtlich nehmen. Ich würde davon absehen, es ohne zusätzliche Erklärung frei zu verwenden.

„Ein masseloses Teilchen in einen kleinen Raum binden“ ist ein guter Ausdruck für eine populäre Diskussion, aber es ist nicht die einzige Möglichkeit, sich den Higgs-Mechanismus vorzustellen.

Eine andere Perspektive ergibt sich aus der Tatsache, dass sich jedes Teilchen innerhalb eines Wechselwirkungsfeldes genau so verhält, als hätte sich seine Energie oder sein Impuls geändert. Dieses Konzept wird im Gegensatz zum üblichen (kinetischen) Impuls als kanonischer Impuls bezeichnet$m\vec{v}$. Zum Beispiel ist im Magnetfeld der kanonische Impuls$\vec{P}=m\vec{v}+e\vec{A}$, und im statischen elektrischen Feld ist die kanonische Energie$E=\tfrac{1}{2}mv^2+e\varphi$(Diese Formeln sind nicht relativistisch). Letzteres ist am einfachsten zu verstehen, weil wir es gewohnt sind zu telefonieren$e\varphi$potenzielle Energie. Eine Kraft wirkt auf das Teilchen, wenn sich ein solcher zusätzlicher Term mit der räumlichen Position ändert.

Variationen dieser Idee hängen vom Tensortyp des Wechselwirkungsfeldes ab. Das elektromagnetische Feld ist ein Vektorfeld und das Higgs-Feld ist ein Skalarfeld. (Auch andere Feldtypen sind möglich, z. B. ist das Gravitationsfeld in GR ein Tensorfeld der Ordnung 2.) Daraus ergibt sich eine wichtige Tatsache: Energie und Impuls ändern sich um den gleichen Faktor (im relativistischen Sinne) , was dasselbe ist, wie sich die Masse ändern würde.$\vec{P}=m\gamma\vec{v}+\Delta m\,\gamma\vec{v}$und$E=m\gamma c^2+\Delta m\,\gamma c^2$,$\Delta m=gh$wo$g$ist die Kopplungskonstante.

Überall dort, wo ein skalares Wechselwirkungsfeld einen Wert ungleich Null erhält, bewegen sich Teilchen, als hätten sie an Masse zugenommen. Und das Higgs-Feld hat im ganzen Universum einen konstanten Wert ungleich Null,$h=h_0$. Somit haben alle Teilchen ihre Higgs-Massen, und sie können darüber hinaus keine explizite Masse haben, und die Theorie geht davon aus.

Eine einfache Standardantwort (für das Standard-Higgs-Bosonenfeld ) ist, dass ein Teilchen Masse erwirbt, indem es dieses Feld durchläuft, was die Trägheit des Teilchens ändert (und somit als Masse erscheint, die unter anderem ein Maß für Trägheit ist).

Natürlich wird das Standard-Higgs-Boson immer noch untersucht (wenn es das Standard-Boson ist und nicht eine Variation anderer Vorschläge), und dies ist nicht die einzige Möglichkeit, zu argumentieren oder zu erklären, wie es anderen Teilchen Masse verleiht.

Du solltest es absolut wörtlich nehmen. (Quatschereien über das Higgs-Feld im Vergleich zum Higgs-Boson sind fehlgeleitet. Teilchen erwerben keine Masse bis zu dem Punkt, an dem das Higgs-Boson erscheint, daher ist es genauso richtig, die Teilchenmassen dem Higgs-Boson zuzuordnen.)

Es gibt jedoch eine einfache Möglichkeit, sich dies vorzustellen. Das Konzept eines Higgs-Bosons ist völlig generisch, obwohl man sich in der Teilchenphysik normalerweise auf das Standardmodell Higgs bezieht. Ein "Higgs-Boson" erscheint, wenn ein System einen Phasenübergang durchmacht, der eine gewisse Symmetrie bricht.

Es gibt viele Beispiele aus der Festkörperphysik, wo dasselbe passiert. In einem Supraleiter beispielsweise werden bei der kritischen Temperatur die Kupferpaare zu "Higgs"-Bosonen, und das Teilchen, das eine Masse annimmt, ist das Photon. Dies ist die berühmte BCS-Theorie der Supraleiter. Vergleiche mit der Ginzburg-Landau-Theorie der Phasenübergänge, bei der man das Potential in gerade Potenzen des Feldes erweitert).