Bosón de Higgs

Bosón de Higgs

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El bosón de Higgs es una partícula elemental hipotética masiva cuya existencia es predicha por el modelo estándar de la física de partículas. Es la única partícula del modelo estándar que no ha sido observada hasta el momento, pero desempeña un papel importante en la explicación del origen de la masa de otras partículas elementales, en particular la diferencia entre el fotón (sin masa) y los bosones W y Z (relativamente pesados). Las partículas elementales con masa y la diferencia entre la interacción electromagnética (causada por los fotones) y la fuerza débil (causada por los bosones W y Z) son críticos en muchos aspectos de la estructura microscópica (y así macroscópica) de la materia. Con esto, si la partícula existe, el bosón de Higgs tendría un enorme efecto en la física y el mundo de hoy.

Una simulación del detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones, mostrando como se prevé que sean las trazas del Bosón de Higgs.

Hasta la fecha, ningún experimento ha detectado directamente la existencia del bosón de Higgs. El mecanismo de Higgs, lo que da masa al vector bosón, fue teorizado en 1964 por Peter Higgs, François Englert y Robert Brout que trabajaban en las ideas de Philip Anderson, e independientemente por G. S. Guralnik,C. R. Hagen y T. W. B. Kibble.^[1] Higgs propuso que la existencia de una partícula escalar masiva podría ser una prueba de la teoría, un comentario añadido a una carta a Physical Review^[2] en la que sugirió en la referencia.^[3] Steven Weinberg y Abdus Salam fueron los primeros en aplicar el mecanismo de Higgs a la ruptura espontánea de simetría electrodébil. La teoría electrodébil predice una partícula neutra cuya masa sea no muy lejana de la de los bosones W y Z.

Visión teórica general

La partícula llamada bosón de Higgs es un cuanto de uno de los componentes del campo de Higgs. En un espacio vacío, el campo de Higgs adquiere un valor esperado de vacío (VEV) diferente de cero que permanece constante en el tiempo y en todo lugar del universo. El VEV de un campo de Higgs es constante e igual a 246 GeV. La existencia de un VEV no nulo tiene una importancia fundamental: da una masa a cada partícula elemental, incluyendo al mismo bosón de Higgs. En particular, la adquisición espontánea de un VEV diferente de cero rompe la simetría gaugiana electrodébil, un fenómeno conocido como el mecanismo de Higgs. Este es el simple mecanismo capaz de dar masa a un bosón de gauge que es también compatible con la Teoría de campo de gauge.

En el modelo estándar, un campo de Higgs consiste en dos campos neutrales y dos cargados. Los dos componentes cargados y uno del neutro son bosones de Goldstone, que no tienen masa y se convierten, respectivamente, en los componentes longitudinales de tercera-polarización de los bosones W y Z (masivos). Lo cuántico de los restantes componentes neutrales corresponden a los bosones masivos de Higgs. Un campo de Higgs es un campo escalar, el bosón de Higgs tiene un espín cero y no tiene momento angular intrínseco. El bosón de Higgs es también su propia antipartícula y tiene simetría CPT.

El modelo estándar no predice el valor de la masa del bosón de Higgs. Si la masa de este bosón es entre 115 y 180 GeV, entonces el modelo estándar puede ser válido a todas las escalas energéticas hasta la escala de Planck (10¹⁶ TeV). Muchas teorías están a la expectativa de una nueva física más allá del modelo estándar que podría surgir a escalas de TeV, basadas en las carencias del modelo estándar. La escala más alta posible de masa permitida en el bosón de Higgs (o en alguna ruptura espontánea de simetría electrodébil) es de un TeV; tras ese punto el modelo estándar se vuelve inconsistente sin un mecanismo de ese tipo porque la unicidad es violada en ciertos procesos de dispersión. Muchos modelos de supersimetría predicen que el bosón de Higgs tendrá una masa sólo ligeramente por encima de los actuales límites experimentales, a unos 120 GeV o menos.

Investigación experimental

Hasta la fecha, noviembre de 2009, el bosón de Higgs no ha sido observado experimentalmente, a pesar de los esfuerzos de los grandes laboratorios de investigación como el CERN o el Fermilab. La no observación de pruebas claras permite estimar un valor mínimo experimental de masa 114.4 GeV para el bosón de Higgs del modelo estándar, con un nivel de confianza del 95%. Un pequeño número de eventos no concluyentes han sido registrados experimentalmente en el colisionador LEP en el CERN. Éstos han podido ser interpretados como resultados de los bosones de Higgs, pero la evidencia no es concluyente.^[4] Se espera que el Gran Colisionador de Hadrones, ya construido en el CERN, pueda confirmar o desmentir la existencia de este bosón. El fascinante anillo de 27 km de circunferencia (llamado Large Hadron Collider) fue encendido el 10 de septiembre de 2008, como estaba previsto, pero un fallo en el sistema de enfriamiento que debe mantener los imanes a una temperatura aproximada de -271,3 °C detuvo el experimento, hasta el 20 de Noviembre del 2009, dia en el que volvió a ser encendido. Eso si, no será hasta 2010 cuando funcione a pleno rendimiento.

El estudio más preciso de las medidas permite concluir que el bosón masivo de Higgs del modelo estándar tiene una magnitud mayor de 144 GeV con un 95% de nivel de confianza,^[5] así se afirma desde marzo de 2007 (incorporando una medida actualizada de las masas del quark arriba y del bosón W). La búsqueda del bosón de Higgs es también el objetivo de ciertos experimentos del Tevatrón en el Fermilab.

Alternativas al mecanismo de Higgs para la ruptura espontánea de simetría electrodébil

Desde los años en los que fue propuesto el bosón de Higgs, han existido muchos mecanismos alternativos al mecanismo propuesto por Higgs. Todas las otras alternativas usan una dinámica que interactúa fuertemente para producir un valor esperado del vacío que rompa la simetría electrodébil. Una lista parcial de esos mecanismos alternativos es:

• Technicolor^[6] es la clase de modelo que intenta imitar la dinámica de la fuerza fuerte como camino para romper la simetría electrodébil.
• El modelo de Abbott-Farhi de composición de los bosones de vectores W y Z.^[7]
• Condensado quark arriba

En la ficción

Hay que mencionar que los bosones de Higgs se denominan a veces, en algunos artículos populares, como las 'Partículas de Dios' o 'Partículas Divinas' a raíz del título de un libro no científico (libro de divulgación científica) escrito por Leon Lederman, laureado con el Nobel en 1988. Esta forma de nombrarlo está muchas veces envuelta con propiedades fantasiosas. En la teoría actual de la partícula sólo se desconoce el valor exacto de su masa (y está por confirmar su existencia).

En la película Solaris de Andréi Tarkovski basándose en la novela homónima del literato polaco Stanisław Lem, se teoriza que los "visitantes" puedan estar formados por bosones de Higgs manipulados por la mente alienígena del océano planetario.

En la película Ángeles y demonios, basada en el libro del mismo nombre (del autor Dan Brown), se menciona al bosón de higgs como "la Partícula de Dios", antes de crear la antimateria capaz de producir demasiada energía. También se menciona el proceso de cómo se crea esta misma.

En el libro de ciencia ficcion Flash Forward, escrita por Robert J. Sawyer (1999) dos científicos desatan una catástrofe a nivel mundial mientras tratan de encontrar el esquivo Boson de Higgs.

Lecturas relacionadas

• Y Nambu; G Jona-Lasinio (1961). «Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy with Superconductivity» I Phys. Rev.. Vol. 122. pp. 345-358.
• J Goldstone, A Salam and S Weinberg (1962). «Broken Symmetries» Physical Review. Vol. 127. pp. 965.
• P W Anderson (1963). «Plasmons, Gauge Invariance, and Mass» Physical Review. Vol. 130. pp. 439.
• A Klein and B W Lee (1964). «Does Spontaneous Breakdown of Symmetry Imply Zero-Mass Particles?» Physical Review Letters. Vol. 12. pp. 266.
• F Englert and R Brout (1964). «Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons» Physical Review Letters. Vol. 13. pp. 321.
• Peter Higgs (1964). «Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields» Physics Letters. Vol. 12. pp. 132.
• Peter Higgs (1964). «Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons» Physical Review Letters. Vol. 13. pp. 508.
• G S Guralnik, C R Hagen and T W B Kibble (1964). «Global Conservation Laws and Massless Particles» Physical Review Letters. Vol. 13. pp. 585.
• W Gilbert (1964). «Broken Symmetries and Massless Particles» Physical Review Letters. Vol. 12. pp. 713.
• Peter Higgs (1966). «Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons» Physical Review. Vol. 145. pp. 1156.

Véase también

• Física de Partículas
• Bosón
• Campo de Higgs
• Interacción Yukawa
• Superfuerza

Referencias

1. ↑ Global Conservation Laws and Massless Particles
2. ↑ Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons
3. ↑ P. Higgs (2001), review lecture "My life as a Boson".
4. ↑ Searches for Higgs Bosons (pdf), from W.-M. Yao et al. (2006). «Review of Particle Physics» J Phys. G. Vol. 33. pp. 1.
5. ↑ «Tevatron collider yields new results on subatomic matter, forces».
6. ↑ S. Dimopoulos and L. Susskind (1979). «Mass Without Scalars» Nucl.Phys.B. Vol. 155. pp. 237-252.
7. ↑ L. F. Abbott and E. Farhi (1981). «Are the Weak Interactions Strong?» Phys.Lett.B. Vol. 101. pp. 69.

• The LEP Electroweak Working Group
• Particle Data Group: Review of searches for Higgs bosons
• The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?, by Leon Lederman, Dick Teresi, hardcover ISBN 0-395-55849-2, paperback ISBN 0-385-31211-3, Houghton Mifflin Co; (January 1993)
• Fermilab Results Change Estimated Mass Of Postulated Higgs boson
• Higgs boson on the horizon
• Signs of mass-giving particle get stronger
• Higgs boson: One page explanation:

In 1993, the UK Science Minister, William Waldegrave, Baron Waldegrave of North Hill|William Waldegrave, challenged physicists to produce an answer that would fit on one page to the question "What is the Higgs boson, and why do we want to find it?"

• Higgs mechanism/boson simple explanation via cartoon
• Higgs physics at the LHC
• Quark experiment predicts heavier Higgs
• The God Particle and the Grid by Richard Martin
• The Higgs boson by the CERN exploratorium
• BBC Radio 4: In Our Time " Higgs Boson - the search for the God particle"

Enlaces externos

• Artículo divulgativo sobre la naturaleza del Bosón de Higgs
• 'The Grid' Could Soon Make the Internet Obsolete
• At Fermilab, the Race Is on for the 'God Particle'
• Grupo de datos de partículas
• The Atom Smashers a blog about the making of a documentary about the search for the Higgs boson

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