当我们谈论希格斯机制时,它是量子效应(量子场论,物理学)吗?

时间:2021-04-19 08:49:51   作者:
在粒子物理的标准模型中,所谓的矢量玻色子理论,即光子(电磁),W+, W−和Z玻色子(弱相互作用)都是从无质量场开始的。为了使理论自洽(可重整),这是必要的。无质量使得这些向量场具有局部对称(规范对称),这是重正化的关键。

事实上,光子是无质量的,而W+、W−和Z玻色子则不是。根据标准模型,对这一现象的解释始于对称群SU(2)L×U(1)。不必考虑这些符号的精确含义,只要SU(2)L表示包含三个弱相互作用向量玻色子的规范对称就足够了;U(1)表示电磁的规范对称性。

记住这一点,让我问点别的。假设你有一个没有静止质量的粒子,比如光子。如果这个粒子在与之相互作用的介质中运动会发生什么?相互作用意味着势能。当你把势能项放入控制粒子的方程中,你会发现它的行为就像它有质量一样,和它的相互作用能成比例。

举个例子,在0.75℃左右,可见光光子在水中的传播速度比真空中的光速要慢得多。这是电磁场和水相互作用的直接结果。

回到我们的弱相互作用矢量玻色子:如果它们与介质相互作用,它们可能会表现得像有质量一样。但是…如果没有媒介呢?在真空中会发生什么?

除了在量子场论中没有真正的空间。我们所说的真空,实际上就是能量最低的状态,理论中场的“基态”。我们能让弱矢量玻色子与其中一个基态相互作用吗?

基态是什么?例如,电磁场的基态是没有光子的时候。场中没有任何的激励。

但如果一个领域的工作方式有所不同呢?如果它的最低能量,基态是一个存在激发态的状态呢?如果完全没有激发不是场的最低能量状态呢?

这就是希格斯场的工作原理。电场在其最低能量基态时具有非零值。是的,这三个矢量玻色子与希格斯场相互作用。这意味着即使在真空(基态),它们也会继续与希格斯场相互作用,因为希格斯场在真空中是非零的。所以这些矢量玻色子的行为将与光子在水中的行为一样:它们将获得有效质量。它们的规范对称性“自发破坏”,因为它们与不遵守规范对称性的基态相互作用。

这就是希格斯机制的本质。那么,我为什么在开始解释的时候如此犹豫呢?

因为为了让希格斯场实现这个小小的奇迹,它必须有一个所谓的自我相互作用势。它是一个四次(四阶)代数表达式。这种自我相互作用势并不是真正的量子效应。这个所谓的“墨西哥帽”,使对称破缺成为可能,只是一个经典的势能项,在理论中“手动”添加到希格斯场中。

所以,尽管整个机制是一个量子机制,但它依赖于一个假设的势,看起来并不是特别量子的图。
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