Campo di Higgs

Il campo di Higgs è un campo di energia che si pensa esista in ogni regione dell'universo. Il campo è accompagnato da una particella fondamentale nota come bosone di Higgs, che viene utilizzata dal campo per interagire continuamente con altre particelle, come l'elettrone. Le particelle che interagiscono con il campo sono "date" di massa e, in modo simile ad un oggetto che passa attraverso una melassa (o melassa), diventano più lente al loro passaggio. Il risultato di una particella che "guadagna" massa dal campo è la prevenzione della sua capacità di viaggiare alla velocità della luce.

La massa stessa non è generata dal campo di Higgs; l'atto di creare materia o energia dal nulla violerebbe le leggi della conservazione. La massa, tuttavia, è ottenuta dalle particelle attraverso le loro interazioni del campo di Higgs con il Bosone di Higgs. I bosoni di Higgs contengono la massa relativa sotto forma di energia e una volta che il campo ha dotato una particella precedentemente priva di massa, la particella in questione rallenterà perché ora è diventata "pesante".

Se il campo di Higgs non esistesse, le particelle non avrebbero la massa necessaria per attrarsi l'un l'altra e fluttuerebbero liberamente alla velocità della luce. Inoltre, la gravità non esisterebbe perché la massa non sarebbe lì ad attrarre altre masse.

Dare massa ad un oggetto è chiamato effetto Higgs. Questo effetto trasferirà massa o energia a qualsiasi particella che lo attraversa. La luce che lo attraversa guadagna energia, non massa, perché la sua forma d'onda non ha massa, mentre la sua forma di particella viaggia costantemente alla velocità della luce.

Un'immagine generata dal computer di un'interazione di Higgs
Un'immagine generata dal computer di un'interazione di Higgs

L'effetto Higgs

L'effetto Higgs è stato teorizzato per la prima volta nel 1968 dagli scrittori delle carte di rottura della simmetria PRL. Nel 1964, tre gruppi di lavoro hanno scritto articoli scientifici che proponevano approcci correlati ma diversi per spiegare come la massa potesse sorgere nelle teorie di gauge locali.

Nel 2013 il bosone di Higgs, e implicitamente l'effetto Higgs, è stato provvisoriamente provato al Large Hadron Collider (e il bosone di Higgs è stato scoperto il 4 luglio 2012). L'effetto è stato visto come il ritrovamento di un pezzo mancante del Modello Standard.

Secondo la teoria del calibro (la teoria alla base del Modello Standard), tutte le particelle portanti la forza dovrebbero essere senza massa. Tuttavia, le particelle di forza che mediano la forza debole hanno massa. Ciò è dovuto all'effetto Higgs, che rompe la simmetria SU(2); (SU sta per speciale unitario, un tipo di matrice, e 2 si riferisce alla dimensione delle matrici coinvolte).

Una simmetria di un sistema è un'operazione fatta ad un sistema, come la rotazione o lo spostamento, che lascia il sistema fondamentalmente invariato. Una simmetria fornisce anche una regola per come qualcosa dovrebbe sempre agire, a meno che non sia agito da una forza esterna. Un esempio è un cubo di Rubik. Se prendiamo un cubo di Rubik e lo strapazziamo facendo tutte le mosse che vogliamo, è ancora possibile risolverlo. Poiché ogni mossa che facciamo lascia ancora il cubo di Rubik risolvibile, possiamo dire che queste mosse sono 'simmetrie' del cubo di Rubik. Insieme, formano quello che chiamiamo il gruppo di simmetria del cubo di Rubik. Fare una di queste mosse non cambia il puzzle, lasciandolo sempre risolvibile. Ma possiamo rompere questa simmetria facendo qualcosa come smontare il cubo e rimetterlo insieme in modo completamente sbagliato. Non importa quali siano le mosse che proviamo ora, non è possibile risolvere il cubo. Rompere il cubo e rimetterlo insieme nel modo sbagliato è la "forza esterna": Senza questa forza esterna, niente di ciò che facciamo al cubo lo rende irrisolvibile. La simmetria del cubo di Rubik è che rimane risolvibile qualunque sia la nostra mossa, purché non lo smontiamo.

Creazione del bosone di Higgs

Il modo in cui la simmetria SU(2) si rompe è noto come "rottura spontanea della simmetria". Spontaneo significa casuale o inaspettato, le simmetrie sono le regole che vengono cambiate, e la rottura si riferisce al fatto che le simmetrie non sono più le stesse. Il risultato della rottura spontanea della simmetria SU(2) può essere un bosone di Higgs.

Motivo dell'effetto Higgs

L'effetto Higgs si verifica perché la natura "tende" verso lo stato energetico più basso. L'effetto Higgs si verificherà perché i bosoni di gauge vicino ad un campo di Higgs vorranno essere nei loro stati energetici più bassi, e questo romperebbe almeno una simmetria.

Per giustificare il fatto di dare massa a una potenziale particella senza massa, gli scienziati sono stati costretti a fare qualcosa fuori dall'ordinario. Presumevano che il vuoto (lo spazio vuoto) avesse in realtà energia, e in questo modo, se una particella che noi pensiamo come priva di massa dovesse entrarvi, l'energia del vuoto sarebbe stata trasferita in quella particella, dandogli massa. Un matematico di nome Jeffrey Goldstone ha dimostrato che se si viola una simmetria, (per esempio, una simmetria con un cubo di Rubik sarebbe se si afferma che gli angoli devono essere sempre ruotati 0 o 3 volte per essere risolvibili (funziona)), si verifica una reazione. Nel caso del cubo di Rubik, il cubo diventerà irrisolvibile se violato. Nel caso del campo di Higgs, viene prodotto qualcosa che prende il nome da Jeffrey Goldstone (e da un altro scienziato che ha lavorato con lui, Yoichiro Nambu), un bosone Nambu-Goldstone. Si tratta di una forma eccitata o energica del vuoto, che può essere graffiata rivelando quello mostrato sopra. Questo è stato spiegato per la prima volta da Peter Higgs.

Il cosiddetto "potenziale del cappello messicano".
Il cosiddetto "potenziale del cappello messicano".


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