Ist das Higgs-Boson nicht für die meiste Masse verantwortlich?

Higgs-Mechanismus ist nicht das universelle massenverantwortliche Detail, sondern das Nonplusultra. Andere Mechanismen könnten Ihnen große Mengen an Masse liefern – und das tun sie tatsächlich –, aber es gibt immer noch einen Teil, den sie nicht erklären können. Und deshalb wird der Higgs-Mechanismus benötigt.

Zahlen für Sie:

Für das Wasserstoffatom:
Gesamtmasse - etwa 1 GeV
Elektromagnetisches Feld - mehrere eV (milliardstel Teile)
Kernkraftfeld - keine
Massen von Elektron und Quarks - nach Higgs-Mechanismus - etwa 20 MeV
Der Rest ist auf Gluonen (und virtuelle Quarks) zurückzuführen Spannung und Bewegung.

Für andere Atome:
Gesamtmasse - etwa 1 GeV pro Nukleon (Proton oder Neutron)
Elektromagnetisches Feld - bis zu keV pro Proton (nicht das Feld innerhalb des Kerns selbst)
Nukleares Kraftfeld - bis zu mehreren MeV pro Nukleon
Elektromagnetisches Feld innerhalb des Kerns - bis zum gleichen Anteil wie Kernkraftfeld
Massen von Elektronen und Quarks - nach Higgs-Mechanismus - etwa 20 MeV pro Nukleon
Der Rest ergibt sich aus ... siehe oben.

Die Antwort des Experimentators:

1) Die Experimentalphysik hat mit sehr vielen Experimenten festgestellt, dass das zugrunde liegende Gerüst der Natur quantenmechanisch ist , und dies schließt die spezielle Relativitätstheorie ein, wenn die Energien angemessen sind. Sie ist abhängig von einer sehr kleinen Zahl von Elementarteilchen , aus denen sich alle Materie zusammensetzt, die wir in unseren Labors beobachtet und mit der wir experimentiert haben.

2) Die Definition von Masse, um die Sie sich Sorgen machen, ist die alltägliche Definition, die von der klassischen Mechanik gut als Widerstand gegen eine ausgeübte Kraft beschrieben wird.

Die Trägheitsmasse misst den Widerstand eines Objekts gegen Geschwindigkeitsänderungen m=F/a. (die Beschleunigung des Objekts).

Im Regime der relativistischen Physik hat ein Elementarteilchen, wie es in dieser Tabelle zu sehen ist, eine Ruhemasse:
$\hspace{50px}$.

Elementarteilchen im Standardmodell enthalten

Sie haben eine Masse, die in der Tabelle angegeben ist, mit Ausnahme der beiden obersten in der Spalte in Rot, die masselose Teilchen sind. Diese Teilchen in verschiedenen gebundenen Zuständen bilden die Protonen (Quarks und Gluonen) und Neutronen, die gebundenen Protonen und Neutronen bilden die Kerne der Atome und sammeln um sie herum die Elektronen und die Atome bilden die Festkörper.

Wenn Sie sich die Massen ansehen, könnten sie niemals die Masse des Protons ergeben$\left(1\frac{\mathrm{GeV}}{c^2}\right).$

Was passiert, ist, dass die Addition nicht aus skalaren Massen besteht, sondern aus vier Vektoren, den dreidimensionalen Impulsen, die wir kennen, plus der Energie als vierte Komponente in der speziellen Metrik der speziellen Relativitätstheorie. Die Masse ist in diesem Rahmen die entsprechende "Länge" von drei Dimensionen und wird als "invariante Masse" bezeichnet : Bei den Elementarteilchen ist diese "Länge" identisch mit der Masse des Tisches. Wenn zwei Elementarteilchen ein anderes Teilchen bilden oder aus einem Teilchen herauskommen, ist die Masse des zusammengesetzten Teilchens eine Funktion der vierdimensionalen Vektoraddition der einzelnen Elementarteilchen, aus denen es besteht.

Zum Beispiel gibt es ein Teilchen namens Pion$\left(\pi^0\right)$, Masse$135 \frac{\mathrm{MeV}}{c^2}.$Es zerfällt in zwei masselose Photonen. Das Zwei-Photonen-System hat die unveränderliche Masse der${\pi}^0$obwohl jedes Photon die Masse Null hat.

Dann wird eine Hierarchie aufgebaut, Elementarteilchen (Quarks, Gluonen) verbinden sich zu Protonen und Neutronen, Protonen und Neutronen verbinden sich zu Kernen, Elektronen plus Kerne zu Atomen. Die zusammengesetzte invariante Masse auf einer Ebene wird zur Ruhemasse der die Grundpartikel des nächsten Levels. Jede Ebene hat weniger kinetische Energie in der Kombination als die vorherige Ebene, sodass die Massen beginnen, den Massen der klassischen Mechanik zu ähneln. Wenn wir Festkörper und Flüssigkeiten mit Abmessungen größer als Nanometer erreichen, können die relativistischen Effekte vernachlässigt werden.

Wo kommt das Higgs-Feld in dieser Saga ins Spiel? Es betrifft nur die invarianten Massen der Elementarteilchen in der Tabelle , ihre Ruhemassen. Der Großteil der Massen, die wir makroskopisch messen, baut sich Schicht für Schicht auf diesen Elementarteilchen und ihren Bindungsenergien auf. Die hohen Energien, die die darunter liegenden Schichten binden, werden makroskopisch zu den klassischen mechanischen Massen.

Ein guter Punkt ist, an die Bindungsenergiekurve und Kernreaktionen zu denken, wo wir den umgekehrten Prozess sehen: klassische Masse, die in Energie umgewandelt wird, indem die Ebene der Verbundheit zerstört wird.

Ein Teilchenphysiker sagte mir, dass Higgs-Felder nur einen kleinen Teil der Masse erklären, während der größte Teil der Masse auf die Energiebindung der Protonen im Kern zurückzuführen ist (was mit QCD beschrieben wird).

Also ich denke, dass das, was das Video sagt, richtig ist.

Es gibt einen klaren Fehler in dem, was er sagt: Die Masse kommt nicht aus der Wechselwirkung mit den Higgs-Teilchen in sich selbst. Im Wesentlichen enthält die Lagrange-Funktion für die Masse aufgrund des Higgs-Mechanismus ursprünglich masselose Teilchen. Dies liegt an der Forderung nach Spursymmetrie. Massenterme sind nicht eichinvariant.

Der Higgs- Mechanismus ist ein dynamischer Mechanismus, bei dem ursprünglich masselose Felder Masse erhalten. Das mit dem Higgs verbundene (skalare) Feld erhält einen Vakuumwert ungleich Null, wie wir sagen, durch spontane Symmetriebrechung. Der symmetriebrechende Teil kommt von der Tatsache, dass, wenn der Vakuumzustand des Higgs nicht die gleiche Symmetrie wie das ursprüngliche, ungebrochene Lagrange enthält, die Eichbosonen eine Masse annehmen. Das Nicht-Null-Vakuum des Higgs ergibt die einer Masse entsprechenden Terme.

Aber die Higgs-Teilchen, wie wir sie im LHC erzeugen können, sind kleine Anregungen des Higgs-Feldes. Diese kleinen Störungen werden um den Vakuumzustand des Feldes herum gemacht und können auch mit den Teilchen der Theorie interagieren, sind aber nicht für die Masse verantwortlich.