¿Qué tan literalmente debería tomar "El bosón de Higgs da masa a otras partículas"?

El campo de Higgs (tenga en cuenta que es el campo lo que es importante aquí, no el bosón de Higgs en sí mismo, que es solo una onda en el campo de Higgs) da masa a las partículas en el mismo sentido que la fuerza fuerte le da masa al protón (contexto:$99\%$de la masa del protón no proviene de la masa de sus quarks constituyentes, sino del hecho de que, en términos generales, los quarks tienen una gran cantidad de energía cinética pero están unidos por la fuerza fuerte). Si alguna fuerza confina la energía en una pequeña cantidad de espacio, entonces esa energía ligada tiene una masa dada por$E=mc^2$. Esto es lo que hace el campo de Higgs: une una partícula sin masa en un espacio pequeño y, por lo tanto, por$E=mc^2$(y el hecho de que la partícula ahora tiene un marco de referencia en el que está estacionaria) esa partícula tiene una masa efectiva en reposo.

Para obtener una sensación intuitiva de lo que está pasando, como ejercicio puede derivar$E=mc^2$considerando un fotón confinado por una caja de espejos. El fotón rebota de un lado a otro ejerciendo presión sobre el espejo, y si tratas de empujar la caja, tendrá inercia debido a que el fotón ejerce más presión sobre la parte frontal del espejo que sobre la parte posterior. Si lo resuelve, encontrará que la caja del espejo tiene una masa inercial efectiva de$m=E/c^2$. El campo de Higgs proporciona una fuerza que actúa como esta caja de espejos, "dando" masa a la partícula dentro de ella.

Respuesta corta: no lo tomes literalmente, sin más contexto .

Para comprender el papel del bosón de Higgs en el modelo estándar, es necesario observar más de cerca el marco en el que describimos las partículas elementales: la teoría cuántica de campos.

En este enfoque, las partículas se describen como excitaciones de campos que se extienden por todo el espacio-tiempo. El estado fundamental del campo corresponde al vacío, lo que llamamos partículas corresponde a excitaciones de este último. Si está familiarizado con la mecánica cuántica, piense en un oscilador armónico para comprender el concepto.

El punto ahora es que el efecto de creación de masa se debe a la presencia del campo, no a la partícula asociada . La existencia de la partícula surge como una especie de requisito de consistencia, que fue confirmado recientemente en el LHC.

En este sentido, la respuesta a su pregunta depende completamente de lo que quiera decir con "bosón de Higgs" : tener partículas masivas no significa que haya bosones en el sentido de que las partículas las rodean constantemente. Son demasiado pesados ​​para que esta sea una opción viable, ya que 125 GeV está mucho más allá de lo que uno experimenta en la vida diaria (un protón viene con una masa en reposo de casi 1 GeV).

Para un físico de partículas, es obvio que "bosón" se refiere a una propiedad del campo como un todo, y no a la excitación de este último. Un profano, sin embargo, lo asociará con una partícula que se mueve a través del espacio-tiempo. Por lo tanto, no debe tomar esta frase literalmente. Me abstendría de usarlo libremente sin dar ninguna explicación adicional.

"Unir una partícula sin masa en un espacio pequeño" es una buena frase para una discusión popular, pero no es la única forma de imaginar el mecanismo de Higgs.

Otra perspectiva proviene del hecho de que cada partícula dentro de algún campo de interacción se comporta exactamente como si su energía o cantidad de movimiento hubiera cambiado. Este concepto se llama momento canónico , en contraste con el momento habitual (cinético)$m\vec{v}$. Por ejemplo, en el campo magnético el momento canónico es$\vec{P}=m\vec{v}+e\vec{A}$, y en el campo eléctrico estático la energía canónica es$E=\tfrac{1}{2}mv^2+e\varphi$(estas fórmulas no son relativistas). Esto último se entiende más simplemente, porque estamos acostumbrados a llamar$e\varphi$energía potencial. Una fuerza actúa sobre la partícula cuando dicho término adicional cambia con la posición espacial.

Las variaciones de esta idea dependen del tipo de tensor del campo de interacción. El campo electromagnético es un campo vectorial y el campo de Higgs es un campo escalar. (Los otros tipos de campos también son posibles, por ejemplo, el campo gravitacional en GR es un campo tensorial de orden 2). Eso lleva a un hecho importante: la energía y el momento cambian por el mismo factor (en el sentido relativista) , que es lo mismo que cambiaría la masa.$\vec{P}=m\gamma\vec{v}+\Delta m\,\gamma\vec{v}$y$E=m\gamma c^2+\Delta m\,\gamma c^2$,$\Delta m=gh$dónde$g$es la constante de acoplamiento.

Por lo tanto, siempre que algún campo de interacción escalar obtenga un valor distinto de cero, las partículas se mueven como si hubieran ganado algo de masa. Y el campo de Higgs tiene un valor constante distinto de cero en todo el Universo,$h=h_0$. Así, todas las partículas tienen sus masas de Higgs, y no pueden tener masa explícita además de ella, y la teoría así lo supone.

Una respuesta estándar simple (para el campo estándar del bosón de Higgs ) es que una partícula adquiere masa al pasar por este campo, lo que cambia la inercia de la partícula (pareciendo así adquirir masa, que es una medida de inercia entre otras)

Por supuesto, el bosón de Higgs estándar todavía se investiga (si es el estándar y no una variación de otras propuestas) y esta no es la única forma en que uno puede razonar o explicar cómo le da masa a otras partículas.

Deberías tomarlo completamente literalmente. (Las objeciones sobre el campo de Higgs frente al bosón de Higgs están equivocadas. Las partículas no adquieren masa hasta el punto en el que aparece el bosón de Higgs, por lo que atribuir las masas de las partículas al bosón de Higgs es igual de correcto).

Sin embargo, hay una manera simple de imaginar esto. El concepto de bosón de Higgs es completamente genérico, aunque en física de partículas se suele hacer referencia al modelo estándar de Higgs. Un "bosón de Higgs" aparece cuando un sistema experimenta una transición de fase que rompe alguna simetría.

Hay muchos ejemplos de la física del estado sólido donde sucede lo mismo. En un superconductor, por ejemplo, a la temperatura crítica, los pares de cobre se convierten en los bosones de "Higgs" y la partícula que adquiere masa es el fotón. Esta es la famosa teoría BCS de los superconductores. Compárese con la teoría de transiciones de fase de Ginzburg-Landau, en la que se expande el potencial en potencias pares del campo).