Co je Higgsovo pole a jak souvisí s hmotností?
Higgsovo pole souvisí s tím, proč mají elektron, kvarky nebo částice W a Z klidovou hmotnost. Higgsův boson je jeho kvantem. Pro pochopení hmotnosti běžných předmětů však potřebujeme přidat i silné působení uvnitř protonů a neutronů.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Pole, které přetrvává i ve vakuu
U mnoha polí si nejnižší energetický stav přirozeně spojujeme s nulovou průměrnou hodnotou. Higgsovo pole má ve svém dnešním vakuovém stavu nenulovou hodnotu. Jde o vlastnost přítomnou v celém prostoru, i když právě nevytváříme Higgsovy bosony.
Některá částicová pole s tímto polem interagují. V standardním modelu se díky tomu v jejich rovnicích objevuje klidová hmotnost. U elektronů a kvarků platí: čím silněji jejich pole s Higgsovým polem interaguje, tím větší je jejich hmotnost.
Hmotnost není brzdění o prostředí
Hmotnost vyjadřuje mimo jiné to, jak těžké je změnit pohyb tělesa působením síly. Částice s klidovou hmotností má také klidovou energii E₀ = m × c², kde c označuje rychlost světla.
Higgsovo pole si proto raději nepředstavujme jako hustý med, v němž se částice pohybem zpomalují. Volný elektron kvůli Higgsovu poli průběžně neztrácí energii třením. Hmotnost je vlastnost jeho fyzikálního popisu, nikoli následek odporu prostředí.
Kterým částicím dává hmotnost
Higgsův mechanismus vysvětluje nenulové hmotnosti částic W a Z, které zprostředkovávají slabé působení. Souvisí také s hmotnostmi nabitých leptonů, například elektronu, a kvarků. Foton a gluony mají nulovou klidovou hmotnost.
U neutrin víme, že mají nenulové hmotnosti, ale jejich původ přesahuje původní minimální standardní model. Nelze proto jednoduše říci, že Higgsovo pole už vysvětlilo hmotnosti úplně všech částic.
Proč většinu hmotnosti protonu vysvětlujeme jinak
Proton je složená částice, jejíž vnitřní stav tvoří kvarky a gluonové pole silného působení. Prostý součet klidových hmotností jeho tří valenčních kvarků je mnohem menší než hmotnost celého protonu. Do hmotnosti protonu se totiž započítává také energie uvnitř něj.
Silné působení udržuje kvarky v nepatrném prostoru. Kvarky mají pohybovou energii a energii nese také gluonové pole, jehož prostřednictvím spolu interagují. Tato vnitřní energie zůstává přítomná, i když proton jako celek stojí. Podle Einsteinova vztahu E₀ = m × c² odpovídá celkové energii protonu v klidu jeho hmotnost.
Většinu hmotnosti protonu tak tvoří příspěvek vnitřní energie kvarků a gluonového pole. Higgsovo pole souvisí s vlastními klidovými hmotnostmi kvarků; k vysvětlení hmotnosti celého protonu však potřebujeme i silné působení.
V atomových jádrech je soustředěna většina hmotnosti běžných předmětů. Proto je pro naši vlastní hmotnost tak důležitá právě fyzika silného působení.
Elektronová hmotnost souvisí s vazbou na Higgsovo pole. Většina hmotnosti protonu souvisí s energií jeho vnitřního stavu kvarků a gluonového pole. Značky u, u, d označují valenční kvarky, nikoli úplný vnitřní obsah protonu; obrázek neudává procentní podíly.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · Odborný podklad · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Co objevili vědci v roce 2012
Experimenty ATLAS a CMS na LHC oznámily 4. července 2012 objev nové částice odpovídající Higgsovu bosonu, s hmotností kolem 125 GeV/c². GeV je jednotka energie; dělením c² ji zde převádíme na jednotku hmotnosti.
Boson vzniká při vhodných srážkách a rychle se rozpadá. Detektory zachytí produkty rozpadu, z jejichž energií a dalších vlastností vědci původní částici rozpoznávají. Objev tak ověřil předpověď spojenou s Higgsovým polem; boson je jeho kvantovou excitací, tedy stavem s přidanou energií.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Higgsovo pole souvisí s hmotnostmi mnoha elementárních částic; Higgsův boson je jeho kvantem. Většinu hmotnosti protonů a neutronů však vysvětluje energie jejich vnitřního stavu se silným působením.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)