Πως αποκτούν μάζα τα σωμάτια με τον μηχανισμό Higgs;

Συχνές ερωτήσεις, Δεκέμβριος 2003

Στη θεωρία του καθιερωμένου προτύπου για τα στοιχειώδη σωματίδια λέμε ότι αυτά αποκτούν τη μάζα τους κατά την αλληλεπίδρασή τους με το πεδίο Higgs. Ο μηχανισμός αυτός έχει περίπου ως εξής:

Ένα από τα βασικά σημεία της κβαντικής θεωρίας πεδίου (QFT) είναι η λεγόμενη κατάσταση κενού. Το κενό είναι μια κατάσταση στην οποία όλα τα πεδία που εμπλέκονται σε μια αλληλεπίδραση έχουν την ελάχιστη τιμή δυναμικής ενέργειας.

Γενικά έχουν μέση τιμή στην κατάσταση κενού ίση με το μηδέν. Χρησιμοποιούμε τον όρο "μέση τιμή" αντί της σκέτης λέξης "τιμή" γιατί υπάρχουν και οι κβαντικές διακυμάνσεις. 

Το πεδίο Higgs είναι ένα πεδίο που βρίσκεται παντού στον χώρο αλλά έχει μέση κατάσταση κενού διάφορη του μηδενός. Ακόμα χειρότερα έχει άπειρο πλήθος από διαφορετικές μέσες τιμές της κατάστασης κενού, με κάποια συμμετρία μεταξύ τους. 

Η θεωρία πεδίου προβλέπει ότι αρκεί να επιλέξουμε μια κατάσταση κενού, αν υπάρχουν περισσότερες από μια, και η συμμετρία σπάει. Αυτό ονομάζεται αυθόρμητο σπάσιμο της συμμετρίας.

Εκείνο που συμβαίνει λοιπόν είναι ότι, όταν σπάει μια συμμετρία έχουμε την εμφάνιση σωματιδίων. Μερικά εξ αυτών έχουν μάζα και άλλα όχι. 

Όλο αυτό το θέμα είναι αρκετά μαθηματικοποιημένο και μοιάζει δύσκολο να γίνει κατανοητό, αλλά το σημαντικό είναι ότι τα πεδία που αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs αποκτούν μάζα εξαιτίας αυτού του σπασίματος της συμμετρίας, επειδή οι καταστάσεις  των κενών έχουν μη μηδενικές μέσες ενέργειες. Σημειώστε ότι μιλάμε για το πεδίο Higgs και όχι για το μποζόνιο Higgs. 

Το μποζόνιο Higgs είναι ένα σωματίδιο που εμφανίζεται ΜΕΤΑ το σπάσιμο της συμμετρίας και μπορεί να υπάρχει ακόμα και αν δεν υπάρχουν άλλα σωματίδια τριγύρω, διότι το πεδίο Higgs έχει την ενδιαφέρουσα ιδιότητα να μπορεί να αλληλεπιδρά με τον εαυτό του. Αυτή η αλληλεπίδραση με τον εαυτό του κάνει και το μποζόνιο Higgs να αποκτά τη δική του μάζα.