Higgsmekanismen
Higgsfältet är ett energifält som tros finnas i alla delar av universum. Fältet åtföljs av en grundläggande partikel som kallas Higgsboson, som används av fältet för att kontinuerligt interagera med andra partiklar, t.ex. elektroner. Partiklar som interagerar med fältet "får" massa och kommer, på samma sätt som ett föremål som passerar genom en sirap (eller melass), att bli långsammare när de passerar genom den. Resultatet av att en partikel "får" massa från fältet är att den hindras från att färdas med ljusets hastighet.
Massan i sig själv skapas inte av Higgsfältet; att skapa materia eller energi från ingenting skulle bryta mot bevarandelagarna. Partiklar får dock massa genom att växelverka med Higgs-bosonen i Higgs-fältet. Higgsbosonerna innehåller den relativa massan i form av energi och när fältet väl har gett en tidigare masslös partikel denna partikel i fråga långsammare eftersom den nu har blivit "tung".
Om Higgsfältet inte fanns skulle partiklarna inte ha den massa som krävs för att attrahera varandra och skulle flyta omkring fritt i ljusets hastighet. Gravitationen skulle inte heller existera eftersom det inte skulle finnas någon massa som kan dra till sig annan massa.
Att ge ett objekt massa kallas Higgs-effekten. Denna effekt överför massa eller energi till varje partikel som passerar genom den. Ljus som passerar genom den får energi, inte massa, eftersom dess vågform inte har någon massa, medan dess partikelform ständigt färdas i ljusets hastighet.
En datorgenererad bild av en Higgs-interaktion
Higgs-effekten
Higgs-effekten var den första teorin 1968 av författarna till PRL:s symmetribrytande artiklar. År 1964 skrev tre forskargrupper vetenskapliga artiklar som föreslog relaterade men olika tillvägagångssätt för att förklara hur massa kan uppstå i lokala mätningsteorier.
År 2013 bevisades Higgsbosonen, och implicit Higgs-effekten, preliminärt vid Large Hadron Collider (Higgsbosonen upptäcktes den 4 juli 2012). Effekten sågs som ett fynd av en saknad bit i standardmodellen.
Enligt gauge-teorin (den teori som ligger till grund för standardmodellen) ska alla kraftbärande partiklar vara masslösa. De kraftpartiklar som förmedlar den svaga kraften har dock massa. Detta beror på Higgs-effekten, som bryter SU(2)-symmetrin (SU står för special unitary, en typ av matris, och 2 hänvisar till storleken på de inblandade matriserna).
Ett systems symmetri är en operation som utförs på ett system, t.ex. rotation eller förskjutning, och som lämnar systemet oförändrat i grunden. En symmetri ger också en regel för hur något alltid ska agera om det inte påverkas av en yttre kraft. Ett exempel är en Rubiks kub. Om vi tar en Rubiks kub och förvränger den genom att göra vilka rörelser som helst är det fortfarande möjligt att lösa den. Eftersom varje drag vi gör fortfarande gör att Rubiks kub kan lösas kan vi säga att dessa drag är "symmetrier" i Rubiks kub. Tillsammans bildar de vad vi kallar Rubiks kubens symmetrigrupp. Om man gör någon av dessa rörelser förändras inte pusslet, utan det förblir alltid lösbart. Men vi kan bryta denna symmetri genom att till exempel ta isär kuben och sätta ihop den igen på ett helt fel sätt. Oavsett vilka drag vi försöker nu är det inte möjligt att lösa kuben. Att bryta isär kuben och sätta ihop den igen på fel sätt är den "yttre kraften": Utan den yttre kraften kan kuben inte lösas utan att vi gör något åt den. Symmetrin i Rubiks kub är att den förblir lösbar oavsett vilka rörelser vi gör, så länge vi inte tar isär kuben.
Skapandet av Higgsbosonen
Det sätt på vilket SU(2)-symmetrin bryts är känt som "spontan symmetribrytning". Spontan betyder slumpmässigt eller oväntat, symmetrierna är de regler som ändras, och "brytning" avser det faktum att symmetrierna inte längre är desamma. Resultatet av ett spontant brott mot SU(2)-symmetrin kan vara en Higgsboson.
Orsak till Higgs-effekten
Higgs-effekten uppstår eftersom naturen "tenderar" mot det lägsta energitillståndet. Higgs-effekten kommer att uppstå eftersom mätbosoner i närheten av ett Higgs-fält vill befinna sig i sina lägsta energitillstånd, och detta skulle bryta minst en symmetri.
För att rättfärdiga att ge massa åt en partikel som skulle vara masslös tvingades forskarna att göra något ovanligt. De antog att vakuum (tomt utrymme) faktiskt innehöll energi, och att om en partikel som vi anser vara masslös skulle komma in i vakuumet, skulle energin från vakuumet överföras till partikeln och ge den massa. En matematiker vid namn Jeffrey Goldstone bevisade att om man bryter mot en symmetri (en symmetri med en Rubiks kub skulle till exempel vara om man anger att hörnen alltid måste roteras 0 eller 3 gånger för att kunna lösas (det fungerar)), kommer en reaktion att inträffa. I fallet med Rubiks kub kommer kuben att bli olösbar om den bryts. När det gäller Higgsfältet produceras något som är uppkallat efter Jeffrey Goldstone (och en annan forskare som arbetade med honom vid namn Yoichiro Nambu), en Nambu-Goldstone-boson. Detta är en exciterad eller energirik form av vakuumet, som kan visas i en graf som avslöjar den som visas ovan. Detta förklarades först av Peter Higgs.
Den så kallade "Mexican Hat Potential"
Frågor och svar
F: Vad är Higgsfältet?
S: Higgsfältet är ett energifält som tros finnas i varje region av universum.
F: Vilken är den fundamentala partikel som är associerad med Higgsfältet?
S: Den fundamentala partikeln som är associerad med Higgsfältet är Higgs boson.
F: Vad händer när partiklar växelverkar med Higgsfältet?
S: Partiklar som växelverkar med Higgsfältet "får" massa och blir långsammare när de passerar genom det.
F: Skapar Higgsfältet massa?
S: Nej, Higgsfältet genererar inte massa. Partiklar får massa genom sin växelverkan med Higgs-bosonen.
F: Vad är resultatet av att en partikel får massa från Higgsfältet?
S: Resultatet av att en partikel får massa från Higgsfältet är att dess förmåga att färdas med ljusets hastighet förhindras.
F: Vad skulle hända om Higgsfältet inte existerade?
S: Om Higgsfältet inte existerade skulle partiklar inte ha den massa som krävs för att attrahera varandra och skulle sväva omkring fritt i ljusets hastighet.
F: Vad är Higgs-effekten?
S: Higgseffekten avser processen att ge ett objekt massa, vilket sker när partiklar passerar genom Higgsfältet och växelverkar med Higgs boson.
