Strona głównaPytania → Czy i jak masy wszystkich...

Czy i jak masy wszystkich cząstek elementarnych wynikają z oddziaływania z polem Higgsa?

Pytanie

Pyta Czesław

Skoro w Modelu Standardowym wszystkie cząstki posiadające masę nabywają ją przez oddziaływanie z polem Higgsa, to jaki porządek rządzi wzrostem masy tych cząstek, poczynając od leptonów, poprzez kwarki, do bozonów, czyli w przedziale 11 rzędów wielkości?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

W pierwszej części odpowiedzi pominę neutrina, czyli najlżejszą rozważaną cząstką będzie elektron, a najcięższą — kwark top.

Kwark top jest około 350000 razy cięższy od elektronu, gdyż jego oddziaływanie z polem Higgsa jest dużo silniejsze. Siłę oddziaływania kwarków i leptonów z polem Higgsa określają pewne bezwymiarowe parametry nazywane sprzężeniami Yukawy. Takie sprzężenie dla kwarku top wynosi około 1, a dla elektronu — około 1/350000. Nie wiemy dlaczego niektóre sprzeżenia Yukawy są takie małe. Symetrie Modelu Standardowego nie narzucają na nie żadnych ograniczeń. Teoretycy starają się konstruować rozszerzenia Modelu Standardowego, w których hierarchiczne sprzężenia Yukawy uzyskiwane byłyby w sposób naturalny. Wymaga to postulowania istnienia nowych cząstek lub dodatkowych wymiarów, i problem hierarchii sprzężeń Yukawy jest w efekcie zastępowany kolekcją dużo poważniejszych i trudniejszych do rozwiązania problemów.

Masy bozonów W i Z dane są przez ich oddziaływania z polem Higgsa, które określone są przez dokładnie te same stałe sprzężeń, co oddziaływania W i Z z kwarkami i leptonami. Wartości tych stałych sprzężeń znamy więc od dawna.

Obecne pomiary w LHC mają na celu m.in. przetestowanie czy występująca w Modelu Standardowym proporcjonalność mas cząstek do ich sprzężeń z polem Higgsa zgodna jest z obserwowanymi prawdopodobieństwami procesów produkcji i rozpadu fizycznej cząstki Higgsa. W tym momencie mamy niezłą zgodność dla kwarków t i b, leptonu $\tau$ oraz bozonów W i Z. Dla pozostałych (lżejszych) kwarków i naładowanych leptonów mamy na razie tylko górne ograniczenia na wartości odpowiednich stałych Yukawy.

Przypadek neutrin jest inny, gdyż symetrie Modelu Standardowego nie dopuszczają zwykłego sprzężenia Yukawy neutrin z polem Higgsa. Musimy albo zapostulować istnienie nowych stosunkowo lekkich cząstek (prawoskrętnych neutrin), albo wprowadzić do Modelu Standardowego tzw. nierenormalizowalne oddziaływanie neutrin i pól Higgsa, ze stałymi sprzężenia proporcjonalnymi do $1/\Lambda$, gdzie $\Lambda$ ma wymiar masy. Po przyjęciu próżniowej wartości $v$ przez pole Higgsa, otrzymywane masy lewoskrętnych neutrin są proporcjonalne do $v^2/\Lambda$. Niewielkie wartości mas lewoskrętnych neutrin można więc tłumaczyć faktem, że $\Lambda$ jest bardzo duża, co dobrze współgra z hipotezą Wielkiej Unifikacji upartej na grupie symetrii SO(10). W tym ostatnim przypadku również myślimy o prawoskrętnych neutrinach, ale tym razem superciężkich, o masach rzędu $\Lambda$. Dokonując tzw. odprzęgania tych cząstek (usunięcia ich z teorii przy niskich energiach) otrzymujemy Model Standardowy z wyżej wspomnianym oddziaływaniem nierenormalizowalnym. Inne oddziaływania nierenormalizowalne też powstają, ale są proporcjonalne do
$1/\Lambda^2$, czyli mniej istotne.