Strona głównaPytania → Dlaczego fotony nie oddziałują z...

Dlaczego fotony nie oddziałują z polem Higgsa?

Pytanie

Pyta Laura

Dlaczego fotony, w przeciwieństwie do np. elektronów, nie oddziałują z polem Higgsa?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

W wyjściowym sformułowaniu teorii oddziaływań elektrosłabych nie mamy pola fotonowego (elektromagnetycznego), lecz podobne do niego trzy pola W oraz jedno pole B. Wszystkie one oddziałują z polem Higgsa, które opisujemy przez cztery pola o wartościach rzeczywistych. Pole Higgsa przyjmuje w próżni taką wartość, aby osiągnąć minimalną gęstość energii próżni. Ta wartość okazuje się niezerowa, i dzięki temu niektóre z bozonów W i B stają się masywne. Szczegółowe obliczenie pokazuje jednak, że istnieje pewna mieszanka jednego z bozonów W z bozonem B która pozostaje bezmasowa. Dokładniej: pole Higgsa złożone jest z czterech pól rzeczywistych, które można sobie wyobrazić jako składowe wektora w pewnej przestrzeci czterowymiarowej. Ten wektor przyjmuje w próżni niezerową wartość, w zupełnie dowolnym kierunku w tej przestrzeni. Niezależnie od wybranego kierunku, zawsze istnieje pewna mieszanka pól W i B która nie oddziałuje bezpośrednio ze wzbudzeniami pola Higgsa w tym konkretnie kierunku. Tę właśnie mieszankę nazywamy polem elektromagnetycznym. Tak więc z definicji pole elektromagnetyczne jest taką mieszanką pól W i B, której pole Higgsa nie nadaje masy, i które w konsekwencji nie oddziałuje bezpośrednio z fizycznym bozonem Higgsa. Oznacza to, że bozon Higgsa ma zerowy ładunek elektromagnetyczny. Nie przeszkadza mu to jednak rozpadać się na dwa fotony za pośrednictwem wirtualnych par cząstek naładowanych.

Można też zapytać co dzieje się ze wzbudzeniami pola Higgsa w innych kierunkach niż ten wyznaczony przez wartość próżniową. Za odpowiedź na to pytanie nagrodę Nobla w 2013 dostali Englert i Higgs. Okazuje się, że pola te można zaabsorbować do pozostałych trzech mieszanek pól W i B, dokładnie tych, które stały się masywne dzięki niezerowej wartości próżniowej pola Higgsa. Po zaabsorbowaniu każda z tych masywnych mieszanek ma trzy fizyczne stopnie swobody (a miałyby tylko dwa, gdyby była bezmasowa). Foton oddziałuje bezpośrednio ze wszystkimi stopniami swobody masywnych bozonów W, czyli oddziałuje również ze wzbudzeniami pola Higgsa w niektórych kierunkach prostopadłych do jego wartości próżniowej. Te wzbudzenia mają więc niezerowy ładunek elektryczny. Neutralna elektrycznie lecz masywna mieszanka bozonów W i B nazywa się bozonem Z. Rozpady naładowanych masywnych bozonów W i neutralnego masywnego bozonu Z zostały po raz pierwszy zaobserwowane w CERNie w roku 1983, kilkanaście lat po skonstruowaniu przewidującej ich istnienie teorii oddziaływań elektrosłabych.