Warum brauchen wir das Higgs-Feld, um die Masse neu zu erklären, aber nicht die Ladung?

Tatsächlich sind Masse und Ladung nur oberflächlich ähnlich. Ja, sie erscheinen beide in umgekehrten quadratischen Kraftgesetzen, nämlich Newtons Gravitationsgesetz und Coulombs Gesetz der elektrostatischen Kraft, aber beide sind Annäherungen . Das Coulombsche Gesetz ignoriert Quanteneffekte, was eine sehr geringe Annäherung ist, aber das Newtonsche Gesetz ignoriert die gesamte Relativitätstheorie, was unter bestimmten Umständen einen großen Unterschied macht. Die wahren zugrunde liegenden Theorien, Quantenelektrodynamik und allgemeine Relativitätstheorie, sind fast völlig anders.

Nun, um Ihre Fragen direkt anzusprechen (obwohl dies zugegebenermaßen mit Mathematik viel einfacher zu erklären wäre):

Warum musste Higgs das Konzept des universumsweiten Higgs-Feldes einführen, um Masse basierend auf Wechselwirkungen damit zu definieren? Und kein Körper kümmerte sich um die Ladung des Elektrons (zum Beispiel), das auch ein grundlegendes Attribut und eine Konstante ist?

Denken Sie darüber nach: Sowohl in der Newtonschen Gravitation als auch in der allgemeinen Relativitätstheorie ist Masse eine Eigenschaft, von der Sie einfach annehmen, dass sie ein Objekt hat. Keine dieser Theorien unternimmt den Versuch zu erklären, woher die Masse eines Objekts kommt; Die Masse ist nur etwas, das Sie in die Gleichung einsetzen, um eine Flugbahn oder eine Kraft zu berechnen.

Das Standardmodell ist jedoch ambitionierter: Es will die Dinge tatsächlich erklären, nicht nur per Hand in die Theorie einbauen lassen. Alles beginnt mit einem Prinzip, das als lokale Eichinvarianz bezeichnet wird . Wenn wir die Mathematik durchgehen, stellen wir fest, dass die Konsequenzen dieses Prinzips vielen der gleichen Eigenschaften entsprechen, von denen wir wissen, dass sie Teilchen haben. Eine Folge der lokalen Eichinvarianz ist zum Beispiel die Tatsache, dass einige Teilchen eine elektrische Ladung haben, und die Existenz der elektromagnetischen Kraft. Eine weitere Folge ist, dass Teilchen eine "Farbladung" haben, die zur Existenz der starken Kraft führt. Es sagt die Existenz von Antiteilchen und die richtigen Erhaltungssätze voraus, die bestimmen, welche Elementarteilchenreaktionen in der Natur auftreten können und welche nicht.

Aber bevor der Higgs-Mechanismus entdeckt wurde, war das einzige, was das Standardmodell nicht vorhersagte, die Masse. Tatsächlich wären alle vorhergesagten Teilchen, die in fast jeder anderen Hinsicht genau mit bekannten Teilchen übereinstimmten, masselos! Sicher, wir könnten das Standardmodell optimieren, um die Teilchen dazu zu zwingen, eine Masse zu haben, aber es gab keinen besonderen Grund dafür (außer der Tatsache, dass wir wissen, dass die Teilchen im wirklichen Leben eine Masse haben). Es gab kein einfaches Prinzip, das verlangt hätte, dass die Theorie die Masse einschließt, wie es die lokale Eichinvarianz erfordert, dass die Theorie elektrische Ladung, Farbladung usw.

Was Higgs und andere Wissenschaftler (Anderson, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs und Kibble) herausgefunden haben, ist, dass das Prinzip der spontanen Symmetriebrechung genau das bewirkt: Es ermöglicht und erfordert sogar, dass die Teilchen des Standardmodells diese haben Masse. Das Schöne daran ist, dass es dies nur in Kombination mit lokaler Eichinvarianz tut, aber das ist hier irgendwie nebensächlich. Das Wichtige ist, dass Sie, wenn Sie dem Standardmodell spontane Symmetrieeinbrüche hinzufügen, Teilchen mit Masse erhalten, wo Sie zuvor masselose Teilchen hatten. Um eine spontane Symmetriebrechung hinzuzufügen, müssen Sie ein Feld hinzufügen, dessen Symmetrie gebrochen werden kann. Daher kommt das Higgs-Feld.

Wieder einmal bin ich weit außerhalb meiner Liga, um darauf zu antworten. Ich kann mich hier in vielen Dingen irren, Kommentare sind willkommen

Das war nur eine Definition von Masse. Das Higgs erklärt auf mathematisch strenge Weise, woher die Ruhemasse ( aber nicht die Schwerkraft ) kommt.

Einer der Versuche, die Funktionsweise unseres Universums auf mathematisch strenge Weise zu erklären, ist das Standardmodell . Es versucht, alle fundamentalen Kräfte (außer der Schwerkraft) zusammen mit den Teilchen in einer umfassenden Theorie unter einen Hut zu bringen, die die subatomare Welt auf konsistente Weise erklärt.

Die Theorie hat im Laufe ihrer Entwicklung viele Teilchen vorhergesagt – darunter viele der Quarks, die$W$und$Z$Bosonen und natürlich das Higgs-Boson. Alle außer Higgs{*} wurden experimentell bestätigt.

Alle diese Teilchen sind notwendig, damit die Theorie funktioniert. Das Higgs ist das Produkt eines raffinierten mathematischen Tricks (spontane Symmetriebrechung), der dazu führt, dass der Begriff "Masse" aufblüht.

Wenn das Higgs nicht gefunden wird, funktioniert die ganze Theorie nicht (oder muss erheblich optimiert werden). IIRC, der SM, sagte zunächst ein masseloses voraus$W$Partikel und wies Inkonsistenzen auf - die durch die Einführung spontaner Symmetriebrechung behoben wurden. Die ursprüngliche Absicht für die Einführung der spontanen Symmetriebrechung (und damit des Higgs) bestand darin, dieses Problem in der elektroschwachen Wechselwirkung zu "beheben". Aus dieser Sicht ist das „Higgs macht Teilchen massiv“ eher ein Nebeneffekt, ein nachträglicher Einfall.

Masse ist nicht genau vergleichbar mit Ladung. Masse hat zwei Aspekte – den Gravitationsaspekt und den Trägheitsaspekt. EM-Kräfte sind die "Ladungs"-Analoga der Schwerkraft, aber es gibt kein solches Analogon für Trägheit.

Wie @David erwähnt hat, ist der obige Abschnitt nicht genau richtig. Der Grund, warum wir kein weiteres Teilchen für die Ladung benötigen, ist, dass die Ladung bereits durch das SM mathematisch erklärt wird (während ohne Higgs die Ruhemasse etwas ist, das wir nur annehmen).

^{*Seit heute hat sich dies wahrscheinlich geändert – ein Teilchen, das dem Standardmodell Higgs ähnelt, wurde vom CERN entdeckt}