Si las partículas obtienen masa del campo de Higgs, ¿por qué no vemos el movimiento browniano?

La caricatura de partículas que obtienen su masa chocando repetidamente con el campo de Higgs es realmente engañosa, en la medida en que ha llevado al OP a hacer esta pregunta (que para la mayoría de los físicos de alta energía suena "tonto").

Aquí, puedo ofrecer otra caricatura un poco mejor que aborda el tema conceptual:

Imagine el campo de Higgs como una gran colección de tocones poco espaciados que sobresalen de la superficie de una gran masa de agua. Las ondas de agua (que representan las partículas cuánticas sin masa en esta analogía) que intentan atravesar el área con muñones se dispersarán de forma múltiple, lo que hará que se "desaceleren", lo que parece que estas ondas correspondientes a partículas han adquirido una masa. Dado que hemos reemplazado las partículas sin masa con ondas, esta caricatura ofrece una imagen "más suave" que hace que sea más fácil descartar la noción de que ocurriría cualquier movimiento browniano.

Tenga en cuenta que esta es solo otra caricatura: cada analogía que destaca una característica particular (en este caso, la falta de cualquier movimiento browniano en el mecanismo de Higgs) siempre se queda corta en otra cosa (la pérdida de localización del paquete de ondas debido a la numerosas dispersiones fortuitas y la aparente pérdida de conservación de la cantidad de movimiento a medida que las ondas se dispersan).

En realidad, las ondas solo experimentan una dispersión coherente hacia adelante con el campo de Higgs. El aspecto "coherente" de la dispersión mantiene unido el paquete de ondas. El aspecto de dispersión "hacia adelante" significa que el número de onda ( es decir , el impulso) permanece sin cambios. Funciona de la misma manera que el vidrio cambia la relación de dispersión de las ondas de luz debido a la dispersión coherente hacia adelante con las moléculas de vidrio.

Nada de esto está particularmente relacionado con el hecho de que se trata de una interacción de cambio de quiralidad izquierda/derecha.

Esa es una pregunta interesante. Como dice @JgL, las partículas que interactúan con el campo de Higgs (por ejemplo, los electrones) experimentan un arrastre, lo que las hace masivas. Te preguntas si estas interacciones podrían impartir impulso al electrón.

Extendamos la analogía a una pelota que se lanza a través del agua. Si el agua chapotea, además de proporcionar resistencia, las olas podrían impartir momentos netos a la pelota, haciendo que se desvíe de una línea recta. Esto es solo una analogía; hay aspectos de la resistencia (p. ej., la pérdida de energía cuando la pelota se ralentiza) que son bastante diferentes del campo de Higgs.

Sin embargo, la parte del campo de Higgs que proporciona resistencia, denotada por$v$, dando como resultado masas, es homogéneo (es decir, inmutable) en el espacio y el tiempo:

$$\text{Higgs field}(x) = h(x) + v$$ Eso significa que no hay chapoteos ni ondas que impartan impulso al electrón. La parte homogénea del campo de Higgs es como agua perfectamente quieta que proporciona arrastre y nada más. La otra parte del campo de Higgs, $h(x$), da como resultado bosones de Higgs físicos.

Los bosones físicos de Higgs,$h(x)$, de hecho podría impartir momentos; sin embargo, esto no sería más que colisiones (dispersión elástica) entre los bosones de Higgs y los electrones. Como no hay una gran fuente de bosones de Higgs de fondo, la probabilidad de cualquier interacción es insignificante y no hace que el electrón se desvíe de una línea recta.

Finalmente, con respecto a los efectos de los bosones de Higgs virtuales (a diferencia de los bosones de Higgs físicos considerados anteriormente) sobre el movimiento de un electrón. Los bosones de Higgs virtuales no pueden estar presentes en los estados inicial o final. Comenzamos con un electrón y terminamos con un electrón. Por conservación del momento, no puede haber cambiado el momento, es decir, no se desvía de una línea recta debido a los bosones de Higgs virtuales.

El campo de Higgs es un campo que impregna todo el espacio (muy parecido al campo electromagnético), los bosones de Higgs son "excitaciones" de este campo. En algunos contextos, puede pensar aproximadamente en estas excitaciones como ondas u ondas en el campo, aunque esta es una analogía un poco descuidada. Diría que estas 'excitaciones' tienen una estructura mucho más rica que simples ondas, lo que les permite comportarse también como lo que normalmente consideramos partículas.

Cuando el campo de Higgs interactúa con otros campos elementales, las excitaciones de estos otros campos elementales (que puedes considerar como otras partículas elementales) experimentan lo que puedes considerar como "arrastre", porque debido a su interacción con el campo de Higgs tienen para 'atravesar' este campo de Higgs mientras se mueven por el espacio. Esta es la forma típica en que el campo de Higgs da lo que normalmente consideramos 'masa' a, por ejemplo, electrones (las excitaciones del campo de electrones). Si esta interacción no existiera, las excitaciones del campo de electrones serían libres para moverse a través del espacio a la velocidad de la luz.

(A veces, las personas prefieren explicar la teoría cuántica de campos en términos de partículas para evitar tener que mencionar "excitaciones" o "campos". desafortunadamente es un problema que surge a menudo cuando tratas de explicar las cosas por analogía. Tu explicación solo parecerá tener sentido en la medida en que tu analogía se mantenga.)

Editar: si conoce algo de electromagnetismo, tal vez pueda intentar jugar con dos campos clásicos$\phi$y$\chi$cuya interacción es descrita por el Lagrangiano

$$\mathcal{L} = \partial_\mu \phi \partial^\mu \phi + \partial_\mu \chi \partial^\mu \chi + \phi^2 \chi^2$$ Si el término de acoplamiento $\phi^2 \chi^2$no estaba allí, las ondas en los dos campos podrían propagarse libremente a la velocidad de la luz. El comportamiento de ambos campos estaría descrito por una ecuación diferencial de la forma $$\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \phi}{\partial t^2} = \nabla^2 \phi$$ el acoplamiento $\phi^2 \chi^2$provoca ondas en el $\phi$campo para interactuar con el $\chi$campo. olas en el $\phi$Como resultado, el campo experimentará alguna forma de 'arrastre' (no en términos de fricción, sino como consecuencia de la forma en que los campos interactúan entre sí). Cuando activamos este acoplamiento, la ecuación diferencial anterior que describe el comportamiento del $\phi$el campo será cambiado, y será de la forma $$\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 \phi}{\partial t^2} = \nabla^2 \phi - \chi^2 \phi$$ La amplitud de la $\chi$campo en un punto $x_i$ahora se comporta como una masa efectiva que es experimentada por las olas en el $\phi$campo en ese punto. Esto es análogo a la forma en que el acoplamiento de Yukawa del campo de Higgs da una masa efectiva a muchos otros campos fundamentales.

Si un electrón se moviera a la velocidad de la luz si no estuviera interactuando constantemente con el campo de Higgs,

Aquí está el primer malentendido, el electrón no está "interactuando" con el campo de Higgs en términos de intercambio de energía o al menos de momento, que es lo que "interacción" significa clásica y mecánicamente cuántica.

Las interacciones mecánicas cuánticas están representadas por vértices de interacción en diagramas de Feynman que tienen una constante de interacción de acoplamiento definida y describen la integral que debe evaluarse para obtener secciones transversales y tiempos de vida. La adquisición de masa ocurre en el nivel de la función de onda, antes de que se puedan calcular las probabilidades de interacciones.

La adquisición de masa para las partículas sin masa ocurre por debajo de una energía específica cuando se rompe la simetría electrodébil y de ahí en adelante todos los electrones adquieren una masa fija. En el modelo estándar actual del universo, eso ocurrió 10^-10 segundos después del Big Bang. , y la energía media de las partículas era del orden de 100 GeV.

¿Cómo se conserva la conservación del impulso si rebota constantemente en los bosones de Higgs virtuales?

No está rebotando en los bosones de Higgs, es solo que las unidades de referencia del vacío han cambiado, hay un valor esperado de vacío distinto de cero para el campo de Higgs, mientras que el campo de electrones y todos los demás campos de partículas tienen un valor esperado cero si no hay ninguna partícula, el campo de Higgs tiene un valor y eso impone restricciones a todos los demás campos, no a las interacciones.

¿Por qué esto no conduce a partículas como los electrones que experimentan el movimiento browniano de todas las colisiones aleatorias?

No hay colisiones, ni interacciones del tipo clásico. En términos de funciones de onda, la función de onda del electrón se superpone al campo de Higgs. Una trayectoria de electrones generada con operadores de creación y aniquilación en el campo de electrones obtiene una masa fija distinta de cero cuando el campo de Higgs tiene el valor esperado de vacío que tiene después de la ruptura de simetría (246GeV), que antes de la ruptura de simetría cuando la masa de electrones era cero y el campo de Higgs vev era cero.

Si las partículas obtienen masa del campo de Higgs, ¿por qué no vemos el movimiento browniano?

Porque no lo hacen.

Si un electrón se moviera a la velocidad de la luz si no estuviera interactuando constantemente con el campo de Higgs

no lo es Hacemos electrones y positrones en la producción de pares gamma-gamma . Empezamos con fotones moviéndose a la velocidad de la luz. Estos fotones interactúan entre sí , de modo que cada uno cambia de dirección y comienza a interactuar consigo mismo. Luego cambia continuamente de dirección, en forma de giro quiral ½. Sólo entonces ya no lo llamaremos fotón. Lo llamamos un electrón. O un positrón si tiene la quiralidad opuesta. Y como dijo Einstein , la masa de un cuerpo es una medida de su contenido energético. No la medida de su interacción con algún campo. Ver https://arxiv.org/abs/1508.06478por van der Mark y (no el Nobel) 't Hooft. Si atrapa un fotón sin masa en una caja de espejos, aumenta la masa de ese sistema. Cuando abres la caja es un cuerpo radiante que pierde masa.

¿Cómo se conserva la conservación del impulso si rebota constantemente en los bosones de Higgs virtuales?

El impulso se conserva porque no rebota en los bosones de Higgs virtuales. Ver esta respuesta . Las partículas virtuales solo existen en las matemáticas del modelo.

¿Por qué esto no conduce a partículas como los electrones que experimentan el movimiento browniano de todas las colisiones aleatorias?

Porque es un cuento de hadas. Consulte la página 174 de A Zeptospace Odyssey, donde el físico del CERN, Gian Guidice, dice que el 98 % de la masa de protones resulta de E=mc², mientras que los efectos electromagnéticos y el mecanismo de Higgs representan el 1 % cada uno.

En cuanto a si ese 1% es correcto, bueno. No olvides que nunca hemos visto un quark libre. Sin embargo, hemos visto la aniquilación de protones y antiprotones de baja energía a fotones gamma.

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

Creo que la mejor manera de pensar en esto es que es como abrir una caja con otra. Entonces cada uno es un cuerpo radiante que pierde masa. todo eso Y entonces esa caja ya no está.