Wat gaat de Higgs doen met de massa?

Paul Sutter is een astrofysicus aan de Ohio State University en de hoofdwetenschapper van het COSI Science Center. Sutter is ook gastheer van Ask a Spaceman, RealSpace en COSI Science Now.

Ik weet zeker dat we nu allemaal het refrein hebben gehoord: "Het Higgs-deeltje creëert massa." En als je het nog niet hebt gehoord, wel, nu wel. Deze simpele uitspraak lijkt een stapeltje te bevatten van een concept: dat elke pond en gram van je lichaam, op de submicroscopische schaal, te wijten is aan deze onzichtbare Higgs-goo die het universum vult.

Vandaar de bijnaam "The God Particle", die frustrerend het publieke bewustzijn is binnengedrongen. Zonder de Higgs zou er geen massa zijn. Zonder de Higgs zouden alle fysica die we kennen en liefhebben tot stilstand komen, deeltjes vliegen met de snelheid van het licht en krijgen bijna nooit de kans om te interageren. [Wat is het 'Goddeeltje'? Higgs Boson Explained (video)]

Of niet.

Een enorm probleem

Het Higgs-deeltje speelt inderdaad een rol in de massa, maar het is veel minder belangrijk dan je zou denken. Als we inzoomen op jou, zien we dat je lichaam is gemaakt van organen, die zijn gemaakt van weefsels, die zijn gemaakt van cellen, die zijn gemaakt van moleculen die zijn gemaakt van atomen. Atomen hebben een kern omringd door een wolk van elektronen, en die elektronen zijn ongelooflijk wimpy - zo onbelangrijk dat ze voor de meeste massaberekeningen gewoon genegeerd kunnen worden.

Als we in de atoomkern graven, vinden we protonen en neutronen, het vlees en de aardappelen van het atoom. Maar ook zij zijn gemaakt van nog kleinere componenten - de quarks. Elk proton en neutron bestaat uit een triplet van quarks die stevig zijn verbonden door gluonen, de dragers van de sterke kernkracht.

En hier wordt het echt raar. Als je de massa's van de drie quarks die elk proton of neutron vormen optelt, zou je maar ongeveer 1 procent van de totale massa krijgen.

Dat is juist. De totale massa van alle fundamentele delen van u (elektronen en quarks) is slechts een lachwekkend klein deel van uw gewicht. In plaats daarvan is de grootste schuld voor het kantelen van de schalen de energie van de interacties tussen jouw delen. Die gluonen die de protonen en neutronen bij elkaar houden zijn massaloos, maar het feit dat ze hun werk doen - dat wil zeggen, lijmen - geeft aanleiding tot een bindende energie.

Het kost energie om een ​​proton of neutron uit elkaar te scheuren en omdat we in een universum wonen waar E = mc2, energie is massa (de c voor de snelheid van het licht vertelt ons net hoeveel energie in een beetje massa zit, het fundamentele concept in die beroemde relatie is dat massa en energie totaal equivalent zijn).

Daarom is het grootste deel van je massa echt de bindende energie van je protonen en neutronen. En niets daarvan heeft iets te maken met het Higgs-deeltje.

De ontbrekende massa

Maar de indrukwekkend klinkende uitspraken over de fundamentele verbinding tussen de Higgs en de massa zijn niet alle subatomaire rook en spiegels. De Higgs spelen hier een (kleine) rol: het is de verklaring voor de massa van je delen, de elektronen en quarks zelf. Hoewel ze niet erg zwaar zijn, zijn ze niet helemaal massaloos en kunnen ze de Higgs hiervoor danken.

En de aard van die massa-makende interactie? Vaak wordt het Higgs-veld vergeleken met een rijke en romige soep, of misschien een dichte en zware mist, of zelfs een vat met dikke en goopy honing. Ongeacht de slechte keuze van metaforische woorden, de analogie is duidelijk: het Higgs-veld doordringt de kosmos en belemmert de vrije reis van zorgeloze elektronen en quarks. [Watch: The Mystery of Mass]

Ik ben niet de grootste fan van deze viskeuze vergelijkingen. Ze laten het lijken alsof beweging de sleutel is tot de relatie tussen de Higgs en deeltjesmassa. Alsof de enige manier waarop een elektron massa kan krijgen, is door door de mist van het Higgs-veld om ons heen te reizen.

Voor mij bevatten metaforen als deze niet veel over het beschrijven van de ware aard van de relatie. In plaats daarvan, wanneer metaforen falen, is het het beste om je terug te trekken naar de veiligheid van de wiskunde. Het spel van de natuurkunde is tenslotte wiskunde te gebruiken om de werking van het universum te beschrijven; het is in de wiskunde dat relaties worden beschreven en ontdekt. Beschrijvingen van die relaties met een natuurlijke taal komen altijd een beetje tekort.

Als het gaat om de Higgs en elektronen, is de wiskunde heel duidelijk. Wanneer we toestaan ​​dat er een universum-vullend Higgs-veld bestaat, heeft dat veld bepaalde eigenschappen, gebaseerd op het werk dat het veld moet doen om de zwakke kernkracht te splitsen van zijn elektromagnetische broer of zus. En we zijn vrij om te vragen: Gaat het, gezien dergelijk-en-dergelijk veld met zo'n en dergelijke lijst met eigenschappen, met iets anders?

En inderdaad: het Higgs-veld heeft interactie met het elektronenveld, de kwarkvelden en alle andere lepton-velden. En het interageert met die andere velden op een zeer specifieke plaats in de wiskundige formules die fysici gebruiken om hun aard en evolutie te beschrijven: de Higgs duiken op in de exacte plek waar we meestal de massa van het deeltje plaatsen.

Dus daar is het. Laat de wiskunde voor zichzelf eens in zijn leven spreken. De massa van een elektron - of de massa van een quark of een andere lepton - is de interactie met het Higgs-veld. Geen siroop, geen kleverig papier, geen zoemende vliegen. Geen metaforen, analogieën of vergelijkingen. Gewoon een simpele, kale, blote verklaring van een verbluffend feit.

Wat is de massa van een elektron? Het is de interactie tussen een elektron en het Higgs-veld. En dat is alles wat er is.

Lees meer door te luisteren naar de aflevering "Waarom is het Higgs-deeltje belangrijk (deel 2)" op de Ask a Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunes en op internet op http://www.askaspaceman.com.Dank aan Jamie R., James S., @croftandi, Peter S., Lorraine C voor de vragen die hebben geleid tot dit stuk! Stel je eigen vraag op Twitter met #ASkASpaceman of door Paul @ PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen.