Higgsfältet, Higgsbosonen och Higgs-effekten – hur partiklar får massa

Upptäck Higgsfältet, Higgsbosonen och Higgs‑effekten — hur partiklar får massa och formar universums struktur och gravitation.

Higgsfältet är ett kvantfält som antas finnas överallt i universum. Till det hör en kvantiserad excitering — Higgsbosonen, en fundamental partikel som är ett tecken på att fältet finns. När andra elementarpartiklar som elektroner växelverkar med Higgsfältet påverkas deras rörelseegenskaper: de får en vilomassa, vilket gör att de inte kan röra sig i ljusets hastighet. Ett vanligt bildligt exempel är att röra sig genom en trögflytande vätska, som melass, men den analogin är förenklad och fångar bara idén att växelverkan saktar ner partiklarnas rörelse relativt till masslösa partiklar.

Hur detta fungerar i fysiktermer kallas ofta Higgs‑effekten eller spontant symmetribrott i den elektrosvaga växlingen. I standardmodellen får fermioner (t.ex. elektroner och kvarkar) massa genom så kallade Yukawa‑växelverkningar med Higgsfältet; styrkan i deras koppling till fältet bestämmer hur stor massa de får. W‑ och Z‑bosonerna (de svaga bärarepartiklarna) får sin massa genom att det elektron‑svaga symmetribrottet ger dem longitudinala komponenter. Fotonen, däremot, kopplar inte till Higgsfältet och förblir masslös.

Higgsfältet "skapar" inte massa ur intet och bryter inte mot naturens bevarandelagar. Vad som händer är att energi i fältet, tillsammans med växelverkan mellan fält och partikel, ger partikelns vilomassa enligt sambandet E = mc². Det är också viktigt att poängtera att all materiell massa inte enbart kommer från Higgsfältet: t.ex. består större delen av protonens massa av energi från kvark‑ och gluonväxelverkningar inom kvantkromodynamiken (QCD), inte direkt från Higgskopplingen.

Om Higgsfältet inte fanns, skulle de partiklar som i dag får sin massa genom detta fält vara masslösa. Elektroner och kvarkar skulle då röra sig i ljusets hastighet och atomer, molekyler och därmed kemi och stabil materia som vi känner den kunde inte bildas. Gravitationens roll skulle däremot inte helt försvinna — energi och strålning bidrar också till rumtidens krökning enligt allmänna relativiteten — men den kosmiska strukturen och processerna i universum skulle vara radikalt annorlunda.

Higgsbosonen själv är en kortlivad kvantexcitation av fältet. Den upptäcktes experimentellt 2012 vid Large Hadron Collider (LHC) i CERN, med en uppmätt vilomassa på ungefär 125 GeV. Upptäckten bekräftade grunddragen i Higgs‑mekanismen, men många detaljer är fortfarande föremål för fortsatt forskning: hur exakt Higgs kopplar till olika partiklar, om det finns fler Higgslika partiklar, och vad Higgsfältets potential säger om universums stabilitet.

• Vad Higgs ger: Vilomassa åt elementarpartiklar som kopplar till fältet.
• Vad Higgs inte gör: Skapa materia ur intet eller ge all massa i universum — mycket av protonmassan kommer från QCD‑energi.
• Varför foton är masslös: Den saknar koppling till Higgsfältet och påverkas därför inte av Higgs‑mekanismen.
• Vetenskapliga frågor kvar: Higgsens självkoppling, möjlig existens av ytterligare skalära fält och kopplingar till mörk materia och kosmologin.

Sammantaget ger Higgsfältet en förklaring till varför många fundamentala partiklar har vilomassa och därmed varför materia kan vara stabil och komplex. Analogier med sirap eller melass kan hjälpa intuitionen, men den exakta förklaringen bygger på kvantfältteori och symmetribrott i standardmodellen för partikelfysik.

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?

F: Vilken är den fundamentala partikel som är associerad med Higgsfältet?

F: Vad händer när partiklar växelverkar med Higgsfältet?

F: Skapar Higgsfältet massa?

F: Vad är resultatet av att en partikel får massa från Higgsfältet?

F: Vad skulle hända om Higgsfältet inte existerade?

F: Vad är Higgs-effekten?

Sök med bokstav