¿Por qué el acoplamiento de Higgs no se considera una quinta fuerza fundamental?

El intercambio de Higgs entre partículas de materia ciertamente puede llamarse fuerza. Si se puede ver como una fuerza fundamental , es cuestión de gustos. Pero hay una distinción importante entre la fuerza debida al intercambio de Higgs y las interacciones fundamentales habituales. Las interacciones fuertes y electrodébiles se describen como interacciones de calibre. Significa que no se ponen a mano sino que surgen automáticamente cuando se requiere que los campos de materia sean invariantes bajo ciertas transformaciones internas locales (rotaciones de fase, transformaciones de color, etc.). En contraste con eso, la "fuerza de Higgs" se coloca en el modelo a mano, ya que su presencia no está impulsada por ninguna consideración de simetría. También puede considerar un modelo con cero acoplamiento Yukawa.

Las fuerzas y las interacciones son similares, por lo que tal vez para los fines de esta discusión deberíamos definir la fuerza como "interacción con una partícula sin masa", ya que esto brinda la posibilidad de "fuerzas" de rango macroscópico (salvo efectos de impedimento como confinamiento o ruptura de simetría) . Después de todo, la gravedad es una fuerza sin masa pero no Yang-Mills (mediada por una partícula de espín-2, no de espín-1). Existen algunas restricciones sobre qué giros (representaciones) de partículas sin masa son posibles en la teoría cuántica de campos, pero no estoy lo suficientemente familiarizado como para tratar de citarlos, lo siento.

Los campos escalares transfieren impulso en la física clásica. Basta con echar un vistazo a las señales acústicas en un gas. Un sonido fuerte puede hacer que sus ventanas vibren. Un ejemplo bien conocido de transferencia de energía por medio del sonido (ondas de presión) se demuestra con diapasones. La teoría cuántica habla del sonido como partículas (fonones), los cuantos discretos de vibraciones mecánicas cuantificadas de una red cristalina, cuyo modo longitudinal corresponde a nuestra percepción macroscópica del sonido. En la teoría cuántica de campos, todos los campos deben cuantificarse al final. Si lo he entendido correctamente, la partícula de Higgs representa los cuantos discretos del campo de Higgs cuantizado. Dado que el campo de Higgs es un campo escalar, sus cuantos son bosones. Llevan energía cinética, y esta energía se puede transmitir a todos los campos cuánticos con los que interactúa el campo de Higgs. Solo necesita echar un vistazo al Lagrangiano para ver todos los campos con los que interactúa el Higgs. Alternativamente, busque los diversos diagramas de Feynman que incluyen líneas de Higgs. Luego puede ver fácilmente todas las partículas con las que interactúa.

La teoría de la física de partículas se organiza matemáticamente como una teoría de calibre con la estructura de grupo de SU(3)xSU(2)xU(1) . Estos tienen bosones de intercambio, que antes de la ruptura de la simetría débil tienen una masa cero, y después de la ruptura de la simetría se han asociado con las tres fuerzas fundamentales , electromagnetismo, débil, fuerte. Esta asociación proviene de la continuidad matemática que es necesaria al pasar del marco microscópico de la mecánica cuántica al macroscópico de la electrodinámica clásica, extendida a las fuerzas fuertes y débiles.

Una fuerza en el micromundo de los diagramas de Feynman es cualquier dp/dt, transferencia de momento, en una interacción que intercambia partículas, por ejemplo, en este diagrama de dispersión de Compton, que sirve para calcular la sección transversal de un fotón que se dispersa de un electrón:

Hay un dp/dt, y la partícula de intercambio virtual es el electrón. Es una interacción electromagnética porque el vértice entrante es electromagnético y tiene la constante de acoplamiento del electromagnetismo. El intercambio de electrones entre los vértices no es una fuerza fundamental.

Fundamentales son los intercambios asociados con los bosones de calibre, ya que los diagramas de orden inferior que dan la mayor parte de la probabilidad de interacción son el simple intercambio de un bosón de calibre, cuando los números cuánticos lo permiten. Es el simple intercambio de fotones virtuales lo que generará los potenciales eléctricos y magnéticos clásicos de la interacción electromagnética clásica.

El campo de Higgs que está asociado con la existencia de la masa de las partículas elementales no transfiere cantidad de movimiento y, por lo tanto, no es una fuerza; los intercambios del bosón de Higgs están al mismo nivel que, por ejemplo, los intercambios de electrones (como se ve en el diagrama anterior) en los diagramas apropiados, es decir, una simple transferencia de dp/dt. Por lo tanto, el mecanismo de Higgs no está relacionado con una nueva fuerza fundamental .

A nivel cuántico son las constantes de acoplamiento las que definen el tipo de interacción y son fundamentales . El bosón de Higgs está en el sector electrodébil y, como partícula elemental neutra, interactúa solo con la constante de acoplamiento débil en los vértices.

Estoy de acuerdo con el comentario de tparker: no es absolutamente ninguna buena razón.

Como se discutió en esta publicación de blog de Résonaances , existe una fuerza mediada por Higgs entre las partículas, que es un poco como la gravedad escalar, pero con un rango similar al de una fuerza débil. Sus diagramas de Feynman se parecen a los de otras fuerzas. No veo ninguna buena razón para negar el estado de fuerza fundamental a esta interacción a la luz del hecho de que:

• La fuerza nuclear , que es transportada por bosones no calibrados (piones), se llama fuerza. No es una fuerza fundamental, ya que los piones no son fundamentales, pero por lo demás es similar a la fuerza de Higgs. Incluso hay una versión de piones del mecanismo de Higgs .

• La fuerza electromagnética se llama fundamental a pesar de que su portador de fuerza es una extraña mezcla de los campos de calibre fundamentales SU(2) y U(1).

• La fuerza débil se llama fuerza fundamental aunque apenas tiene las cualidades que normalmente asociarías con una fuerza, y sus portadores de fuerza son extrañas mezclas de los campos fundamentales de calibre SU(2) y U(1) y el campo fundamental de Higgs . .

La fuerza de Higgs comparte la debilidad de la fuerza débil de no ser del todo fundamental porque el Higgs que vemos no es del todo el campo de Higgs fundamental. Pero tampoco es una partícula compuesta. Me inclino a decir que la gravedad, SU(3), SU(2), U(1) y la fuerza fundamental de Higgs son las cinco fuerzas fundamentales de nuestro modelo estándar actual, y el electromagnetismo, la fuerza débil y la baja. -La fuerza de Higgs de energía debe clasificarse como "fuerzas fundamentales enanas".

El campo de Higgs no es un campo vectorial como, digamos, el vector potencial de EM. Surge del acoplamiento observado de partículas masivas al campo débil. Entonces, el bosón de Higgs no es un bosón de calibre de intercambio de fuerza de la misma manera que los otros bosones del modelo estándar.

Si la gravedad es una fuerza fundamental, entonces el mecanismo de Higgs también lo es. Esto es cierto ya sea que estén relacionados o no. El mecanismo de Higgs es sin duda la fuente de la masa inercial que inspiró a Newton a cuantificar qué es una fuerza y ​​cómo se comporta.

La gravedad, como el mecanismo de Higgs, puede agregar masa/energía a la materia a granel (como una aceleración constante), doblar o incluso confinar otras fuerzas que transportan bosones (fotones) en el espacio. Esto sucede en el horizonte de eventos de los agujeros negros.

El mecanismo de Higgs no solo es una fuerza fundamental, sino que la forma en que interactúa es incuestionablemente única entre las fuerzas fundamentales. Disminuye la velocidad y limita el rango de portadores de fuerza electrodébil (W, Z) al romper la simetría local, dándoles masa sin violar la conservación de masa/energía.