Поле Хиггса связано с массами элементарных W/Z-бозонов и фермионов, но не объясняет всю массу обычного вещества напрямую. Масса покоя системы соответствует её энергии в системе центра импульса.
Масса кажется простым свойством: кладём предмет на весы и получаем число. Но весы измеряют силу, с которой опора удерживает тело в гравитационном поле. Масса — более фундаментальная характеристика: она связана с инерцией и с полной энергией системы в состоянии покоя.
Инерция, вес и энергия
Чем больше масса, тем труднее изменить скорость тела одной и той же силой. Это инертная масса. Гравитационная масса определяет участие в притяжении. Эксперименты показывают их эквивалентность с высокой точностью; на этом основана общая теория относительности.
В специальной относительности энергия, импульс и масса связаны формулой E²=(pc)²+(mc²)². В системе, где суммарный импульс равен нулю, остаётся E=mc². Поэтому масса составного объекта учитывает всю энергию внутри: движение компонентов, поля и связи между ними.
Что делает поле Хиггса
В Стандартной модели пространство заполнено полем Хиггса. Его ненулевое значение позволяет W- и Z-бозонам слабого взаимодействия быть массивными, а связь фермионов с этим полем задаёт массы электрона и кварков. Бозон Хиггса — наблюдаемое возбуждение поля; его открыли на Большом адронном коллайдере в 2012 году.
Популярная фраза «Хиггс даёт массу всему» неточна. Фотон с полем Хиггса не связывается и остаётся безмассовым. Более того, массы трёх валентных кварков составляют лишь малую часть массы протона или нейтрона.
Почему протон тяжелее суммы кварков
Кварки внутри протона движутся в сильном глюонном поле. Энергия этого движения и взаимодействия, включая постоянно возникающие квантовые пары, составляет основную долю массы адрона. Здесь масса возникает из динамики квантовой хромодинамики, хотя параметры масс самих кварков связаны с Хиггсом.
У атомного ядра картина дополняется энергией связи. Связанное ядро обычно имеет меньшую массу, чем свободные протоны и нейтроны: разница высвобождается при образовании.
Для элементарных частиц важны связи с полем Хиггса, для протонов — энергия сильного взаимодействия, а для любой системы — полный запас энергии в её системе покоя. Нагретый предмет, заряженная батарея и сжатая пружина формально тяжелее охлаждённого или разряженного состояния, хотя разница слишком мала для бытовых весов.
Итак, у массы нет единственного «вещества-источника».