Pole Higgsa - Polski Serwis Naukowy

Pole Higgsa - skalarne pole postulowane w 1964 roku przez Petera Higgsa. Koncepcja pola Higgsa została wykorzystana przez Stevena Weinberga do konstrukcji Modelu Standardowego.

Dynamiczna zmiana tego pola związana może być ze zmienną energią próżni. Higgs zakładał, że próżnia nie jest pusta, ale wypełnia ją postulowane przez niego pole. Zgodnie z Modelem Standardowym cząstki elementarne uzyskują masę poprzez oddziaływanie z polem, które wypełnia całą przestrzeń. Oddziaływanie z polem Higgsa nadaje cząstce masę niezależnie od położenia i kierunku ruchu. Istnieje ogólna zasada, że im silniejsze jest oddziaływanie z polem, tym większą masę uzyskuje cząstka. Masa, którą cząstki otrzymują poprzez oddziaływanie z polem Higgsa, jest masą spoczynkową. Cząstka Higgsa przenosi oddziaływanie z polem, a to oznacza, że jest kwantem tego pola. Mechanizm Higgsa oparty jest o spontaniczne łamanie symetrii i rozwiązuje problem umasowienia bozonów pośredniczących.

Pole elektryczne – stan przestrzeni otaczającej ładunki elektryczne lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa siła elektrostatyczna.

Teoria oddziaływań elektrosłabych (Teoria Małej Unifikacji) - kwantowa teoria pola opisująca oddziaływania słabe oraz elektromagnetyczne. Zawiera ona w sobie wcześniejszą teorię oddziaływań słabych i elektrodynamikę kwantową.

Zaproponowana przez Higgsa idea pozwoliła na odkrycie jedności oddziaływania elektromagnetycznego i słabego (oddziaływanie elektrosłabe), ale dotychczas nie poznano reguł rządzących wzrostem masy cząstek. Nadawane przez mechanizm Higgsa masy nie tworzą wyraźnego porządku i zawierają się w przedziale od 0,0005 GeV (elektron) do 173 GeV (kwark t). Na razie nie potwierdzono doświadczalnie istnienia cząstki Higgsa.

Energia punktu zerowego (inaczej energia próżni) to w mechanice kwantowej najniższa możliwa energia jaką może przyjąć dowolny układ kwantowy. Z definicji wszystkie układy kwantowe posiadają energię punktu zerowego.

Inflacja kosmologiczna jest hipotezą kosmologiczną zaproponowaną przez Alana Gutha (1981). Według niej wczesny Wszechświat przeszedł przez fazę szybkiego rozszerzenia się spowodowanego ujemną energią gęstości próżni (dodatnie ciśnienie próżni). Ekspansja ta może być modelowana przez niezerową stałą kosmologiczną. Bezpośrednią konsekwencją jest wniosek, że cały obserwowalny wszechświat początkowo był skoncentrowany w bardzo małym obszarze połączonym więzami przyczynowo-skutkowymi. Kwantowe fluktuacje w tym mikroskopijnym obszarze urosły do rozmiarów kosmicznych i stały się zaczątkami struktur kosmicznych.

Pole Higgsa jest prawdopodobnie przyczyną istnienia trzech generacji cząstek elementarnych. Generacje te nie różnią się niczym poza masą spoczynkową. Być może na podstawowym poziomie istnieje tylko jedna generacja, która oddziałuje z polem Higgsa na trzy sposoby.

Uzasadnienie

W wielu teoriach bozony cechowania muszą być cząstkami bezmasowymi. Teorie takie dają doskonałe wyniki poza jednym faktem - w rzeczywistości bozony te często mają masę. Aby obejść ten problem zakłada się, że owe bozony w rzeczywistości są bezmasowe, natomiast ich obserwowana masa jest wynikiem oddziaływania z innym polem.

Kwant – najmniejsza porcja, jaką może mieć lub o jaką może zmienić się dana wielkość fizyczna w pojedynczym zdarzeniu; np. kwant energii, kwant momentu pędu, kwant strumienia magnetycznego, kwant czasu.

Pole grawitacyjne to pole wytwarzane przez obiekty posiadające masę. Określa wielkość i kierunek siły grawitacyjnej działającej na znajdujące się w nim inne obiekty posiadające masę. Podstawową teorią opisującą pole grawitacyjne i jego związek z cechami przestrzeni jest ogólna teoria względności (OTW), stworzona przez Alberta Einsteina.Prawo grawitacji sformułował angielski uczony Izaak Newton. Pole opisuje się poprzez podanie natężenia pola grawitacyjnego γ, czyli siły F działającej na masę jednostkową m, lub potencjału grawitacyjnego. Obrazem pola grawitacyjnego są linie pola lub powierzchnie ekwipotencjalne. Kierunek i zwrot linii pola jest zgodny z kierunkiem i zwrotem sił działających na masę punktową.

Aby nadać masę odpowiednim cząstkom wprowadza się pole Higgsa, którego energia nie jest monotoniczną funkcją jego wartości. Dla prawie wszystkich pól (np. grawitacyjnego lub elektrycznego) siła oddziaływania maleje wraz z odległością. Dla pola kolorowego siła rośnie wraz z odległością. Natomiast dla pola Higgsa zakłada się, że najpierw spada, a potem rośnie. Minimum energii występuje więc dla pewnej niezerowej wartości pola.

Oddziaływanie słabe jest jednym z czterech oddziaływań uznanych za podstawowe. Przenoszone jest za pomocą jednej z trzech masywnych cząstek: bozonów naładowanych (W+ i W-) oraz bozonu neutralnego (Z0). Jest odpowiedzialne za rozpad beta i związaną z nim radioaktywność oraz za rozpad np. mionu i cząstek dziwnych. Siła oddziaływania słabego jest 109 razy mniejsza niż siła oddziaływania silnego. Jest zbyt słabe, by połączyć leptony w większe cząstki, tak jak oddziaływania silne łączą w hadronach kwarki.

W fizyce cząstek bozony (ang. boson od nazwiska fizyka Satyendra Bose), są cząstkami posiadającymi spin całkowity. Większość bozonów to cząstki złożone, jednakże 12 z nich (tak zwane bozony cechowania) są cząstkami elementarnymi, niezłożonymi z mniejszych cząstek (cząstki fundamentalne).

Kiedy inne cząstki oddziałują z polem Higgsa, powstaje efekt identyczny, jak gdyby miały masę. Zależy ona od wartości, przy której pole Higgsa ma minimum energii oraz od stałej oddziaływania między cząstką a polem Higgsa.

Pole Higgsa musi być skalarne, ponieważ nie obserwuje się zależności masy od kierunku ruchu cząstki.

Inflacja

Pole Higgsa odegrało przypuszczalnie dużą rolę w inflacji kosmologicznej. Kiedy ma ono wartość 0, Wszechświat ekspanduje zgodnie z rozwiązaniem de Sittera, które odpowiada fazie ekspansji. Po zmianie wartości pola Higgsa na minimum energii, następuje zahamowanie inflacji i dalsza ewolucja zgodna z jednym z rozwiązań Friedmana. Gdy pole Higgsa jest równe 0, posiada niezerową energię, która może być utożsamiona z "energią próżni", która napędza inflację. Podczas rozpadu pola Higgsa owa energia została przekazana "dzisiejszym" cząstkom elementarnym w postaci ich masy.

W fizyce cząstek elementarnych, bozony cechowania są nośnikami oddziaływań podstawowych. Innymi słowy, cząstki elementarne, których oddziaływania są opisane przez teorię pola z cechowaniem powodują powstanie sił poprzez wymianę bozonów cechowania.

Peter Ware Higgs (ur. 29 maja 1929 w Newcastle upon Tyne) – szkocki fizyk, znany z rozwinięcia Modelu Standardowego; jego nazwiskiem nazwano jeden z bozonów. W 1964 roku postulował istnienie cząstki będącej kwantem pola skalarnego nadającego masę. Wielokrotnie nagradzany, m.in. Medalem Diraca i Nagrodą Wolfa z fizyki w 2004 roku.

W niektórych teoriach początku Wszechświata rozpad pola Higgsa jest utożsamiony z Wielkim Wybuchem. W tym ujęciu istnieje wieczny pra-Wszechświat, w którego niewielkim odcinku pole Higgsa rozpadło się, tworząc nasz obserwowany Wszechświat.

Zobacz też

Bozon Higgsa