¿Cómo se ve el campo de Higgs?

Nota: Esta respuesta se escribió originalmente a la pregunta “¿Cómo se ve un campo de Higgs?”. Fue redirigido a esta pregunta por el Evil Quora Bot.


Por lo general, la gente le dirá que el campo de Higgs tiene una forma de “sombrero mexicano”, pero esa es la forma del potencial del campo, no del campo en sí. El campo de Higgs está actualmente en el mínimo de este potencial de “sombrero mexicano”, pero eso no tiene nada que ver con la forma del campo. Tiene que ver con un proceso llamado ruptura espontánea de simetría , en el que el campo adquiere un valor de expectativa de vacío , que se encuentra en la parte inferior del “sombrero”.

Sin embargo, una vez que esto sucede, cuantificamos el campo alrededor de este valor de expectativa de vacío. Un campo cuántico no tiene una “forma”. Existe en todos los puntos en el espacio-tiempo, pero no tiene un valor numérico en esos puntos; más bien, tiene un operador de campo en cada punto del espacio-tiempo. Es una entidad abstracta , no algo que pueda considerarse que tiene una “forma” en cualquier significado posible de la palabra.

Ese operador de campo, [math] \ phi (\ mathbf {x}) [/ math], cuando opera en un estado de vacío [math] | 0 \ rangle [/ math], crea un bosón de Higgs en el punto [math] \ mathbf {x} [/ math].

Si lo desea, puede imaginarse que el campo de Higgs es un “mar” uniforme de 4 dimensiones de bosones de Higgs que existen a lo largo del espacio-tiempo, apareciendo y desapareciendo al azar, pero sin una forma discernible .

En caso de que mi explicación anterior no estuviera clara, aquí hay una explicación alternativa de por qué la forma del campo de Higgs no es un “sombrero mexicano”: el potencial nos da el rango de valores que puede tomar el campo (clásico). Entonces, decir que la forma del campo de Higgs es la misma que la forma del potencial es como decir que un automóvil que baja por una montaña tiene la forma de una montaña .

Suponiendo que el bosón descubierto en julio pasado es el bosón de Higgs del modelo estándar (que se cree casi universalmente en este momento), ya hemos medido indirectamente el valor del campo de Higgs (y creo que también medimos indirectamente su valor antes, pero luego lo necesario la suposición de que existía era mucho más tenue).

El campo de Higgs es una función a lo largo del espacio-tiempo, cuyo valor tiene dos componentes complejos con unidades de energía (o, de manera equivalente, unidades de distancia inversa):

[matemáticas] \ phi = \ frac {1} {\ sqrt {2}} \ binom {\ phi ^ 1 + i \ phi ^ 2} {\ phi ^ 0 + i \ phi ^ 3} [/ math]

Otros campos, como el campo electromagnético, son funciones análogas en el espacio-tiempo. La principal diferencia es que el campo de Higgs es casi plano: rara vez se ven perturbaciones por su valor de vacío (bosones de Higgs), en comparación con la frecuencia con que se ven perturbaciones por el valor de vacío del campo electromagnético (fotones): compare el costo del LHC y una linterna El campo de Higgs es esencialmente constante (nota: puede tener diferencias de fase en el espacio; no lo creo, pero no estoy seguro).

[matemáticas] \ phi \ aprox \ langle \ phi \ rangle [/ matemáticas]

Entonces, la única pregunta que queda es el valor de estos componentes. Hay libertad para elegir un indicador (esencialmente un cambio de coordenadas en los componentes del campo, un poco) que establece los componentes 1,2,3 igual a 0 (lo aprendí hace un momento de Wikipedia; no lo entiendo completamente pero es muy creíble) La única coordenada distinta de cero restante es

[matemáticas] \ langle \ phi ^ 0 \ rangle \ aprox 246 GeV [/ matemáticas]

Ahora, pregunta acerca de un “campo de dispersión” que muestra la masa de objetos inmersos en el campo de Higgs. Bueno, nada está realmente inmerso en el campo de Higgs, solo comparten el mismo espacio. Y las masas de partículas elementales provienen de las constantes de acoplamiento unidas a sus acoplamientos al campo de Higgs. Como se dice comúnmente, el campo de Higgs es como mollasses, y diferentes partículas elementales se unen a él con diferentes fuerzas, dándoles diferentes masas.

Las masas de partículas no elementales, como los protones / neutrones / etc., provienen principalmente de la fuerza nuclear fuerte y no de la partícula de Higgs. Los quarks y gluones que forman un protón están unidos por la fuerza fuerte, pero tienen mucha energía cinética, y [matemáticas] E = mc ^ 2 [/ matemáticas], o más bien [matemáticas] m = E / c ^ 2 [/ matemáticas].

Se ve igual en todas las direcciones.
En serio, sin embargo, los campos son descripciones matemáticas y el campo estándar de Higgs del modelo en particular es un campo escalar, por lo que es el mismo en todas partes.
Si ese es el caso en la naturaleza es algo que estamos tratando de resolver. Hasta ahora parece que sí.