¿Qué parte de la masa del protón se debe al campo de Higgs?

Sí, el modelo estándar de un hadrón como "tres quarks enlazados" y, por lo tanto, calcular la contribución del mecanismo de Higgs a la masa del hadrón únicamente a partir de estos tres quarks enlazados es demasiado simplista.

El nombre para el modelo del protón que describe Strassler en el post que enlazas es efectivamente el modelo parton , que inicialmente se propuso sin ningún conocimiento de lo que eran los partones, mientras que ahora los identificamos como quarks y gluones. Las funciones de distribución de partones describen la probabilidad de detectar un partón particular con un impulso particular en una escala de energía general particular.

Y está el primer obstáculo para resolver la cuestión de "cuánto" contribuye el mecanismo de Higgs a la masa: la distribución de partones no es fija y depende de la escala de energía general (la escala de energía es una medida de cuán "finamente" podemos "resolver" la subestructura del protón). No hay ningún reclamo de una distribución de partones "verdadera", todo está en flujo y depende del poder de resolución del observador.

En segundo lugar, no sabemos realmente cómo calcular las funciones de distribución de partones, al menos no cuando lo comprobé por última vez. Tenemos que adaptarlos a los datos del colisionador: los enfoques perturbadores son absolutamente inútiles en este tipo de QCD fuertemente ligados, y los cálculos de celosía chocan con otros obstáculos. Sé que hay modelos de celosía que en algunas situaciones predicen secciones transversales a partir de las cuales se pueden extrapolar distribuciones de partones razonables, pero no sé si se acuerda que tal cálculo numérico sea "la" forma de hacerlo. Una búsqueda rápida encuentra, por ejemplo, este documento sobre el cálculo ab initio de la estructura de partones en la red, pero alguien con más experiencia en los aspectos numéricos del campo tendrá que evaluar los méritos de enfoques como este.

Por lo tanto, si aceptamos el modelo de partón, diría que estamos obligados a admitir que la cuestión de "cuánto" de la masa del protón proviene de dónde no tiene mucho sentido. En QCD completo, un cálculo ab initio de masas hadrónicas (como en "Determinación ab-initio de masas de hadrones ligeros" de Durr et al.) es un montón de cálculos reticulares realmente complicados en lugar de algo que se separaría claramente en contribuciones a la masa de los tres tipos que buscas. Claro, el modelo de celosía tiene en cuenta estos tres factores, pero no obtienes valores separados para sus contribuciones, el modelo de celosía simplemente escupe una masa hadrónica neta y eso es todo.

Sin embargo, como muestra el cálculo de masa ab initio que acabo de vincular, las contribuciones de los quarks marinos son muy relevantes: los autores se refieren varias veces a cómo son necesarias las "contribuciones ligeras de los quarks marinos" para que el resultado coincida con las masas experimentales reales. Pero advierto contra tratar de calcular simplemente la diferencia entre los modelos de celosía con y sin estas contribuciones y asignar eso como "la contribución de los quarks marinos a la masa", ya que la relación entre los modelos de celosía y el experimento suele ser mucho más sutil.

En "Descomposición de masa de protones del tensor de momento de energía QCD" de Yang et al. resulta que, si bien mis afirmaciones pesimistas anteriores son verdaderas en un sentido ingenuo, uno puede usar modelos reticulares que de hecho producen cuatro contribuciones distintas a la masa de hadrones que ingenuamente esperamos. Tenga en cuenta que la forma en que recuperan las contribuciones reales de los resultados numéricos es bastante complicada y requiere varias cantidades intermedias, pasando por una función de distribución de partones en forma de "fracciones de impulso" en el camino. Este cálculo reticular muestra las siguientes contribuciones:

• Condensado de quark: 9%
• Energía de quarks: 32%
• Energía de gluones: 36%
• Traza anomalía: 23%

Aquí podemos señalar dos cosas:

Primero, si todo lo que estamos buscando es "cuánto de esto es el Higgs", entonces la respuesta directa y falsa es que es el condensado de quarks, porque es la única contribución donde las masas de los quarks juegan un papel. El término de energía del gluón incluye el$\beta$-función para el acoplamiento QCD, y como la respuesta de knzhou señala correctamente, la (no) existencia del Higgs afecta enormemente el acoplamiento en funcionamiento. Entonces, incluso después de todos estos problemas, todavía no tenemos una cifra "verdadera" de cuánto de esto es el Higgs, aunque ciertamente podríamos combinar esto con el 60% de la respuesta de knzhou para obtener otro valor (ver a continuación por qué eso no es sencillo tampoco).

En segundo lugar, aproximadamente una cuarta parte de la masa proviene de un lugar que el modelo de partón ni siquiera conoce, a saber, la anomalía del rastro. La causa de esto es el "vacío instantáneo lleno" de QCD: el vacío QCD no es un simple vacío perturbativo sino un$\theta$-vacío, que es la superposición de muchos vacíos instantáneos, por lo que los fermiones y los bosones del campo de norma llevan un término de anomalía global que contribuye a la acción y, por tanto, a la energía.

La contribución del Higgs a esta parte es turbia porque el documento no calcula las contribuciones divididas de los fermiones y los gluones a esto, pero el$\beta$-función que depende del bosón solo afecta directamente a la anomalía gluónica. Dejaré que el lector decida si este ejercicio realmente nos acercó más a poder hablar sobre la contribución del Higgs a las masas de hadrones.

El estado actual es que la masa del protón proviene "de cuatro fuentes [2] conocidas como el condensado de quarks (∼9%), la energía de los quarks (∼32%), la energía de la fuerza del campo gluónico (∼37%) y la energía anómala aporte gluónico (~23%)". https://física.aps.org/articles/v11/118#

Solo la primera contribución del 9% depende de que los quarks tengan masa. La contribución de Higgs es menor, aunque mayor que la cifra ingenua basada en la suma de las masas de los quarks.

No creo que sea válido sumar las masas en reposo de todos los quarks y antiquarks "mar": un protón es un estado ligado complejo y fuertemente acoplado de QCD, y dudo que uno pueda tratarlo simplemente como una bolsa de partículas La idea de un número definido de quarks marinos probablemente no tenga ningún sentido.

Aquí hay un argumento más simple que obtiene una estimación intermedia. Esencialmente por análisis dimensional, la masa del protón es alrededor$\Lambda_{\text{QCD}}$, que está alrededor de la escala GeV; esperaríamos obtener una contribución de este tamaño, tanto si los quarks eran masivos como si no.

El campo de Higgs afecta$\Lambda_{\text{QCD}}$porque afecta el funcionamiento de la constante de acoplamiento fuerte; recordar que$\Lambda_{\text{QCD}}$se define como el punto donde este acoplamiento se vuelve grande. Con el campo de Higgs activado, los quarks pesados ​​se "congelan" cuando la escala RG pasa por sus masas, lo que hace que la carrera se acelere, ya que los quarks proporcionan un efecto de detección de carga. Con el campo de Higgs desactivado, los quarks nunca se congelan, por lo que la marcha será más lenta en general y, por lo tanto, disminuirá.$\Lambda_{\text{QCD}}$. En esta publicación se argumenta que esto reduce$\Lambda_{\text{QCD}}$en un 40%, por lo que el Higgs es responsable del 60% de la masa bariónica.

¿Qué parte de la masa del protón se debe al campo de Higgs?

Mi opinión sobre esto está coloreada por el libro de Gian Francesco Giudice de 2010 A Zeptospace Odyssey . En la página 173 dijo esto: “El nombre más inapropiado jamás dado al bosón de Higgs es 'La partícula de Dios'. El nombre da la impresión de que el bosón de Higgs es la partícula central del Modelo Estándar, que gobierna su estructura. Pero esto está muy lejos de la verdad” . También dijo que “el sector de Higgs es bastante arbitrario, y su forma no está dictada por ningún principio fundamental profundo. Por eso su estructura parece espantosamente ad hoc” . Giudice también dijo que la masa de un cuerpo es la energía intrínseca de un cuerpo en reposo y nos habla de E=mc². En su artículo de 1905, ¿la inercia de un cuerpo depende de su contenido de energía? , Einstein dijo“la masa de un cuerpo es una medida de su contenido energético” . No hay problema allí.

El problema es que el mecanismo de Higgs contradice E=mc². ¿Es la masa de un cuerpo una medida de su contenido energético o una medida de su interacción con algún campo que llena el espacio? La idea de este último proviene del sector electrodébil del modelo estándar, donde se dice que la fuerza débil está mediada por bosones vectoriales masivos. Tienen que ser masivos porque la fuerza es de corto alcance. Consulte el artículo del mecanismo de Higgs de Wikipedia donde puede leer que "según el teorema de Goldstone, estos bosones deberían ser sin masa" . Si no lo son, los bosones no son bosones de calibre y la teoría no es una teoría de calibre. Pero aquí estamos. Tenemos a Giudice diciendo“El mecanismo de Higgs representa aproximadamente el 1 por ciento de la masa de la materia ordinaria y solo el 0,2 por ciento de la masa del universo. Esto no es suficiente para justificar la pretensión de explicar el origen de la masa” . También dijo que el bosón de Higgs es "como el inodoro del edificio del modelo estándar" . Como sin duda sabrá, Giudice es ahora jefe de teoría en el CERN.

La masa del protón es 938 MeV. La gente a menudo afirma que (A) El protón es un estado ligado de dos quarks arriba y un quark abajo, con los tres quarks contribuyendo con una masa total en reposo de$2 \times (2.2 \text{ MeV}) + (4.7 \text{ MeV}) = 9.1 \text{ MeV}$(alrededor del 1% de la masa del protón), y el otro 99% proviene de la " energía de enlace QCD ".

Veo que has leído el artículo de Matt Strassler, ¿qué es un protón de todos modos? La afirmación anterior es la imagen original del quark. Eso se ha transformado a lo largo de los años. Esta imagen de physorg lo insinúa:

^{Imagen del artículo de PhysOrg Los físicos amplían la contribución de los gluones al giro de los protones}

La gente afirma además que (B) La contribución de la "energía de enlace QCD" a la masa del protón es independiente del campo de Higgs. Por lo tanto, solo el 1% de la masa del protón proviene del campo de Higgs.

Sí, gente como Gian Giudice.

La afirmación (A) es quizás defendible como una explicación heurística, aunque oculta muchas sutilezas debajo de la alfombra. (Por ejemplo, en un contexto que no es QCD, la energía de enlace (como se define generalmente) siempre disminuye la energía de un estado de enlace por debajo de la de sus partes constituyentes, lo contrario de lo que sucede en los hadrones). Pero tal como lo entiendo, afirmar (B) es simplemente incorrecto.

Creo que la afirmación (A) es incorrecta y creo que la afirmación (B) también lo es.

Como se explica aquí , es mejor pensar en el estado fundamental del protón no como un estado ligado de exactamente tres quarks, sino como una superposición de muchas colecciones enormes diferentes de quarks y antiquarks, cada una de las cuales tiene un número total de quarks up 2 (es decir, dos quarks más). quarks up que antiquarks up) y quark down total número 1 (es decir, un quark down más que un antiquark down).

Matt Strassler dijo que el protón no está formado por tres quarks unidos por tres gluones. Él dice que eso es una mentira, una mentira piadosa, pero una gran mentira. En cambio, dijo que hay "trillones de gluones, antiquarks y quarks en un protón" , y dio una imagen de una gran cantidad de quarks y gluones, todos mezclados como frijoles en una bolsa. Todos "corriendo lo más rápido posible, casi a la velocidad de la luz" . Pero en la aniquilación protón-antiprotón de baja energía, ¿vemos que todos estos quarks y gluones se derraman? No. Lo que vemos, es luz:

^{Crédito de la imagen CSIRO, ver El Big Bang y el Modelo Estándar del Universo}

Esto a veces se describe como "dos quarks de 'valencia' arriba y un quark de 'valencia' abajo, rodeados por un enorme 'mar' de pares de quarks-antiquarks". En mi opinión, esta descripción también es engañosa, porque implica que hay tres quarks de "valencia" específicos que son "reales", mientras que los otros quarks "mar" son simplemente "virtuales" y físicamente distintos de los quarks de valencia. De hecho, cada quark individual se encuentra físicamente exactamente en la misma situación. En particular, creo que todos los quarks obtienen una contribución masiva del mecanismo de Higgs.

Comparto su opinión de que esta descripción es engañosa. Pero también diré esto: si todos esos trillones de quarks están físicamente en el mismo plano, ¿por qué nunca has visto uno solo? ¿Qué más crees que podría estar "corriendo" a la velocidad de la luz?

Como explica el Prof. Strassler en el enlace anterior, es mejor pensar que la masa del protón surge de la suma de tres términos contribuyentes: 1. La suma de las energías en reposo de todos los (¡muchos!) quarks y antiquarks 2. La cinética energía de los quarks, antiquarks y gluones 3. La energía de enlace almacenada en los campos de gluones, que es negativa y en realidad disminuye la masa del protón en relación con lo que sería si los quarks no interactuaran.

Tenga en cuenta esto en el artículo de gluones de Wikipedia: "a diferencia de los virtuales que se encuentran en los hadrones ordinarios" . Los gluones en un protón son virtuales. Como en no real. También tenga en cuenta que es la naturaleza ondulatoria de la materia, así que consulte lo que dijo Martin van der Mark sobre la naturaleza de las cosas y la jerarquía de las fuerzas : una masa más pequeña significa una longitud de onda más grande, por lo que no puede caber una longitud de onda más larga de 2.2 MeV. quark dentro de un protón de 938,27 MeV de longitud de onda más pequeña. Por último, pero no menos importante, recuerda lo que dijo Einstein: la masa de un cuerpo es una medida de su contenido de energía.

Creo que el mecanismo de Higgs es el responsable de la contribución (1), que es mucho mayor que los simples 9,1 MeV de solo tres quarks y, por lo tanto, mucho más del 1% de la masa del protón. ¿Es esto correcto?

Yo creo que no.

Además, ¿tenemos algún tipo de estimación cuantitativa de la contribución de cada uno de estos tres términos? El número de quarks up y el número de antiquarks up son individualmente indefinidos, pero ¿podemos estimar numéricamente sus valores esperados del estado fundamental para estimar (1)? Sé que QCD interactúa lo suficientemente fuerte como para que no sea particularmente útil pensar en términos de quarks individuales, pero tengo curiosidad por saber si alguien ha intentado ese cálculo.

Lo siento, no puedo responder a esta parte de tu pregunta. Pero comparto su opinión de que la cifra del 1% es incorrecta. Sólo que no creo que sea demasiado bajo. Creo que es demasiado alto.