Bosón de Higgs
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Composición
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Familia
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Estado
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Parcialmente confirmada.1
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Símbolo(s)
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H
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Teorizada
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1964
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Descubierta
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Julio de 20121
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125-126 Gev/c2 aproximadamente.1
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El bosón de Higgs es una partícula hipotética, un bosón, que constituye el cuanto del campo de Higgs.
Tanto él como su campo asociado están relacionados con el origen de la masa de las partículas elementales. Al bosón de Higgs
se le denomina habitualmente la partícula
de Dios o la partícula divina, debido al
libro La partícula divina: si
el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta? del premio Nobel de Física Leon Lederman.
La existencia del bosón de
Higgs fue predicha en 1964 como parte del mecanismo de Higgs, propuesto para
explicar la masa de las partículas elementales del modelo estándar.
En particular dicho mecanismo justifica la masa de los bosones
vectoriales W y Z,
que los diferencia de otros bosones que median interacciones fundamentales, como el fotón.
El bosón de Higgs recibe su
nombre de Peter Higgs,
que fue uno de los seis autores que en la década de 1960 desarrolló la
idea del mecanismo ahora conocido por su nombre. Según el modelo estándar
interacciona con todas las partículas con masa y con el fotón, y no posee espín ni carga eléctrica o de color.
Debido a que su masa es
presumiblemente muy grande, sólo puede ser detectado a altas energías en un acelerador de partículas. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN comenzó sus experimentos para
detectarlo en 2010. Anteriormente también se intentó en LEP (también en el CERN) y en Tevatron (en Fermilab).
El 4 de julio de 2012 se
presentaron en el CERN los resultados preliminares de los análisis conjuntos de
los datos tomados por el LHC en 2011 y 2012. Los dos principales experimentos
del acelerador (ATLAS y CMS) anunciaron la observación de una
nueva partícula «compatible con el bosón de Higgs», con una masa de unos 125 GeV/c2.
El estudio de las propiedades de la nueva partícula, para confirmar si se trata
efectivamente del bosón u otra posibilidad, necesita aún más tiempo y datos.1
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Introducción
general
En la actualidad,
prácticamente todos los fenómenos subatómicos conocidos quedan explicados
mediante el modelo estándar,
una teoría ampliamente aceptada sobre laspartículas elementales y las fuerzas entre ellas. Sin
embargo, en la década de 1960, cuando dicho modelo aún se estaba desarrollando,
se observaba una contradicción aparente entre dos fenómenos. Por un lado, la fuerza nuclear débil entre partículas subatómicas podía
explicarse mediante leyes similares a las del electromagnetismo –en su versión cuántica–. Por otro lado, dichas
leyes implican que las partículas que actúen como intermediarias de la
interacción –el fotón en el caso del electromagnetismo, las
partículas W y Z en el caso de la fuerza débil– deben
ser no masivas. Sin embargo, sobre la base de
los datos experimentales, los bosones W y Z –que sólo eran una hipótesis
entonces–, habían de ser masivos.2
En 1964 tres grupos de
físicos publicaron de manera independiente una solución a este problema, que
reconciliaba dichas leyes con la presencia de la masa. Esta solución,
denominada posteriormente mecanismo de Higgs, explica la masa como
el resultado de la interacción de las partículas con un campo que permea el vacío, denominado campo de Higgs. Peter Higgs fue en solitario uno de los
proponentes de dicho mecanismo. En su versión más sencilla, este mecanismo
implica que debe existir una nueva partícula asociada con las vibraciones de
dicho campo, el bosón de Higgs. El nombre «bosón» hace referencia a una de las propiedades
de esta partícula.
El modelo estándar quedó
finalmente constituido haciendo uso de este mecanismo. En particular, todas las
partículas masivas que lo constituyen interaccionan con este campo, y reciben
su masa de él. Sin embargo, la existencia del bosón de Higgs es la única parte
del mismo que aún necesita ser demostrada. Hasta la década de 1980 ningún
experimento tuvo la energía necesaria para comenzar a buscarlo, dado que la
masa que se estimaba que podría tener era demasiado alta –cientos de veces la
masa del protón–. El Gran Colisionador de Hadrones o LHC, inaugurado en 2008, fue
construido con el objetivo principal de encontrarlo.
A finales de 2011, dos de
los experimentos llevados a cabo en el LHC aportaron indicios de la existencia
del bosón alrededor de 125 GeV/c2 –unas 125 veces la masa del protón–.
En julio de 2012, el CERN anunció la detección de una nueva
partícula con propiedades consistentes con las esperadas para el bosón de Higgs.1
Historia
Los físicos de partículas
creen que la materia está hecha de partículas fundamentales
cuyas interacciones están mediadas por partículas de intercambio conocidas como partículas portadoras. A comienzos de la
década de 1960 habían sido descubiertas o propuestas un número de estas
partículas, junto con las teorías que sugieren cómo se relacionaban entre sí.
Sin embargo era conocido que estas teorías estaban incompletas. Una omisión era que no podían
explicar los orígenes de la masa como una propiedad de la materia. El teorema de Goldstone,
relacionando con la simetría continua dentro de algunas teorías, también
parecían descartar muchas soluciones obvias.[9]
El mecanismo de Higgs es un proceso mediante el cual los bosones
vectoriales puede
obtener masa invariante sinromper explícitamente invariancia de gauge. La propuesta de ese
mecanismo de ruptura espontánea de simetría fue sugerida originalmente en 1962 por Philip Warren Anderson [10] y, en 1964, desarrollada en un
modelo relativistacompleto de forma independiente
y casi simultáneamente por tres grupos de físicos: por François Englert y Robert Brout;
[11] por Peter Higginss; [12] y por Gerald Guralnik, C. R. Hageny Tom Kibble (GHK). [13] Las propiedades del modelo
fueron adicionalmente consideradas por Guralnik en 1965 [14] y Higgs en 1966.
[15] Los papeles mostraron que cuando una teoría de gauge es combinada con un campo adicional
que rompe espontáneamente la simetría del grupo, los bosones de gauge pueden
adquirir consistentemente una masa finita. En 1967, Steven Weinberg y Abdus Salam fueron los primeros en aplicar el
mecanismo de Higgs a la ruptura de la simetría electrodébil y mostraron cómo un
mecanismo de Higgs podría ser incorporado en la teoría electrodébil de Sheldon Glashowde,[16][17][18] en lo que
se convirtió en el modelo estándar de física de partículas.
Los tres papeles escritos
en 1964 fueron reconocidos como un hito durante la celebración del aniversario
50º de la Physical Review Letters. [19] Sus seis
autores también fueron galardonados por su trabajo con el Premio de J. J. Sakurai
para física teórica de partículas. [20] (el mismo año también surgió
una disputa; en el evento de un Premio Nobel,
hasta 3 científicos serían elegibles, con 6 autores acreditados por los
papeles). [21] Dos de los tres papeles del PRL (por Higgs y GHK) contenían
ecuaciones para el hipotético campoque eventualmente se conocería como
el campo de Higgs y su hipotético cuanto, el bosón de Higgs.
El papel subsecuente de Higgs, de 1966, mostró el mecanismo de decaimiento del bosón;
sólo un bosón masivo puede decaer y las desintegraciones pueden demostrar el
mecanismo.
En el papel de Higgs el
bosón es masivo, y en una frase de cierre Higgs escribe que "una
característica esencial" de la teoría "es la predicción de
multipletes incompletos de bosones escalares y vectoriales". En el papel
de GHK el bosón no tiene masa y está desacoplado de estados masivos. En los
exámenes de 2009 y 2011, Guralnik afirma que en el modelo GHK el bosón es sólo
en una aproximación de orden más bajo, pero no está sujeta a ninguna
restricción y adquiere masa a órdenes superiores y agrega que el papel de GHK
fue el único en mostrar que no hay ningún bosón de Goldstone sin masa en el modelo y en dar un
completo análisis del mecanismo general de Higgs.[22][23]
Además de explicar cómo la
masa es adquirida por bosones de vector, el mecanismo de Higgs también predice
la relación entre las masas de los bosones W y Z,
así como susacoplamientos entre sí y con el modelo estándar de
quarks y leptones. Posteriormente, muchas de estas predicciones han sido
verificados por precisas mediciones en los colisionadores LEP y SLC, abrumadoramente
confirmando que algún tipo de mecanismo de Higgs tienen lugar en la
naturaleza,[24] pero aún no se ha descubierto la manera exacta por la que
sucede. Se espera que los resultados de la búsqueda del bosón de Higgs
proporcione evidencia acerca de cómo esto es realizado en la naturaleza.
Visión
teórica general
Resumen
de las interacciones entre las partículas delmodelo estándar.
El 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, incluido el 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 corresponde 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 antipartículay
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.
Masa
hipotética del bosón de Higgs
La masa del bosón
de Higgs se
expresa en función de λ y del valor de la escala de ruptura de simetría, υ,
como:
La medida de la
anchura parcial de la desintegración:
a bajas energías en
el SM permite calcular la constante de Fermi, GF, con
gran precisión. Y puesto que:
se obtiene un valor de υ =
246 GeV. No obstante el valor
de λ es desconocido y por tanto la masa del bosón de Higgs en el SM es un parámetro libre de la teoría.
[editar]Alternativas
Desde los años en los que
fue propuesto el bosón de Higgs han existido muchos mecanismos alternativos.
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;3 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.4
Investigación
experimental
Una simulación del detector CMS delGran Colisionador de Hadrones, que muestra
cómo se prevé que sean las trazas del bosón de Higgs.
El 4 de julio del 2012. el CERN confirmó con
más de un 99% de probabilidad la existencia del bosón de Higgs5 fruto de los esfuerzos de los grandes
laboratorios de investigación como el CERN o el Fermilab. Los datos
obtenidos permiten 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%.6 Experimentalmente se ha registrado un
pequeño número de eventos no concluyentes en el colisionador LEP en el CERN. Estos han podido ser
interpretados como resultados de los bosones de Higgs, pero la evidencia no es
concluyente.7 Se espera que el Gran Colisionador de Hadrones, ya
construido en el CERN, pueda confirmar o
desmentir la existencia de este bosón. El LHC (Large Hadron Collider),
con un anillo de 27 Km. de circunferencia, 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. El 20 de noviembre del 2009 volvió a ser encendido operando en
el rango de 450 GeV a 2.23 TeV. De nuevo fue apagado,
en este caso para realizar ajustes y el 30 de marzo de 2010 volvió a ser puesto
en marcha esta vez a potencia de 3,5 TeV. Durante el año 2012
alcanzará los 4 TeV, tras lo que volverá a
hacer una parada de alrededor de 20 meses. Se espera que en 2014 alcance los 7 TeV.
La búsqueda del bosón de
Higgs es también el objetivo de ciertos experimentos del Tevatrón en el Fermilab.
Observación de una
resonancia en los 115 GeV
En una nota interna del CERN, del 21 de abril de
2011, se contextualizaba el rumor de que los físicos del LHC habían detectado por primera vez el
bosón de Higgs.
La nota interna habla de la observación de una resonancia en
los 115 GeV, justo la clase de
fenómeno que se esperaría detectar si se hubiera encontrado un bosón de Higgs
en ese rango de energía. Sin embargo, el elevado número de eventos observados,
hasta treinta veces más de los predichos en el modelo estándar de física de
partículas, sorprendía a los propios investigadores.8
El 4 de julio de 2012, el
CERN comunicó con la presencia de varios científicos, incluyendo al propio
téorico del tema Peter Higgs, que había detectado con un 99,99994% de
probabilidad el Bosón de Higgs mediante el colisionador de hadrones. Incluso
tratarían de entender qué tipo, si así fuera, de Bosón de Higgs era. Dos
equipos independientes en el CERN llegaron a conclusiones similares: el CMS con
2,100 científicos y el Atlas con 3,000 investigadores. Rolf Heuer, director del
CERN, dijo "Tenemos un descubrimiento. Hemos observado una nueva partícula
que concuerda con un bosón de Higgs" y "Concuerda con un bosón de
Higgs como se requiere para el modelo estándar". La frase "Partícula
de Dios" fue acuñada por el editor de un libro de divulgación escrito por
el físico Leon Lederman, ganador del Premio Nobel, y titulado originalmente en
inglés "The goddam particle" (traducido como "La partícula
maldita") y posteriormente editado como "The God particle"
(traducido como "La partícula de Dios").
En la
ficción
En la película Solaris protagonizada por George Clooney y Natascha
McElhone se teoriza
que los visitantes que materializa el océano viviente del planeta estarían
formados por partículas subatómicas estabilizadas por un campo de Higgs.
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".
En el libro de ciencia
ficción Recuerdos del futuro, escrita por Robert J. Sawyer (1999), dos científicos desatan una
catástrofe a nivel mundial mientras tratan de encontrar el esquivo bosón de
Higgs.
En la serie El barco se habla del bosón de Higgs como la
Partícula de Dios.
En el capítulo 21 de la 5°
temporada (The Hawking Excitation) de la serie The Big Bang Theory, Sheldon Cooper cree haber descubierto una prueba de
la existencia del bosón de Higgs.
Véase
también
§
Bosón
Referencias
1. ↑ a b c d e «CERN Press Release: CERN experiments observe particle
consistent with long-sought Higgs boson» (en inglés) (04-06-2012). Consultado el 04-06-2012.
4. ↑ L. F. Abbott and E. Farhi
(1981). «Are
the Weak Interactions Strong?». Phys.Lett.B 101: pp. 69.
5. ↑ «El
CERN halla la 'partícula de Dios' que explica por qué existe la materia».
Consultado el 04 de juio de 2012.
7. ↑ Searches for Higgs Bosons (pdf), from W.-M. Yao et al. (2006). «Review
of Particle Physics». J Phys. G 33: pp. 1.
8. ↑ abc (27 abril de 2011). «resonancia
en los 115 GeV» (en
español).
Consultado el 04 de mayo de 2011.
§
Tom W B Kibble (2009). «Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble mechanism
(history)» (en inglés). Scholarpedia. Archivado desde el original,
el 5-07-2012.doi:10.4249/scholarpedia.8741.
§
Pablo
García Abia (4-07-2012). «El
bosón de Higgs para profanos». El País.
Archivado desde el original,
el 5-07-2012. Consultado el 5 de julio de 2012.
Bibliografía adicional
§
Y
Nambu; G Jona-Lasinio (1961). «Dynamical Model of Elementary Particles Based on an
Analogy with Superconductivity». I Phys. Rev. 122: pp. 345-358.
§
A Klein and B W Lee (1964). «Does Spontaneous Breakdown of Symmetry Imply Zero-Mass
Particles?». Physical Review Letters 12: pp. 266.
§
F Englert and R Brout (1964). «Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons». Physical Review Letters 13: pp. 321.
§
Peter Higgs (1964). «Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields». Physics Letters 12: pp. 132.
§
Peter Higgs (1964). «Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons». Physical Review Letters 13: pp. 508.
§
G S Guralnik, C R
Hagen and T W B Kibble (1964). «Global Conservation Laws and Massless Particles». Physical Review Letters 13: pp. 585.
§
W Gilbert (1964). «Broken Symmetries and Massless Particles». Physical Review Letters 12: pp. 713.
§
Peter Higgs (1966). «Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons». Physical Review 145: pp. 1156.
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