Bosón de Higgs

El bosón de Higgs es una hipotética partícula elemental masiva cuya existencia es predicha por el modelo estándar de la física de partículas. 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 críticas en muchos aspectos de la estructura microscópica y 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. Hay que mencionar que los bosones de Higgs se denominan a veces las 'partículas de Dios' o 'partículas divinas', a raíz del título de un libro de divulgación científica escrito por Leon Lederman, laureado con el Nobel de Física en 1988.

Hasta la fecha, la acumulación de los datos empíricos analizados y publicados es insuficiente para confirmar totalmente la existencia del bosón de Higgs. Aunque se trata de la única partícula elemental del modelo estándar que no ha sido observada experimentalmente hasta ahora, el 13 de diciembre de 2011 el Centro Europeo de Investigación Nuclear (gracias a los experimentos en el Gran colisionador de hadrones) ha delimitado la región en la que se situaría así como la cuantificación de su masa en aproximadamente 126 GeV (Gigaelectronvoltio), señalando que los datos son insuficientes para reclamar el descubrimiento de la partícula.

2010 APS J.J. Sakurai Premio - Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout.

El mecanismo de Higgs, lo que da masa al vector bosón, fue planteado teóricamente en 1964 por Peter Higgs, François Englert y Robert Brout (quienes trabajaban en las ideas de Philip Anderson), e independientemente por G. S. Guralnik, C. R. Hagen y T. W. B. Kibble. Higgs -en un comentario añadido a una carta dirigida a la Physical Review- propuso que la existencia de una partícula escalar masiva podría ser una prueba de la teoría. 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 no sea 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, 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 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

Una simulación del detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones, que muestra cómo se prevé que sean las trazas del bosón de Higgs.

Hasta la fecha 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. Mas alla de eso 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%. 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. 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 7 TeV. Eso sí, no será hasta 2016 cuando funcione a pleno rendimiento.

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. 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 ; 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.
• Condensados de quarks top.

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.

Masa del bosón de Higgs en Teoria

La masa del bosón de Higgs se expresa en función de λ y del valor de la escala de ruptura de simetría, υ, como:

$\mathrm{m_H^2} = 2 \lambda \upsilon^2$

La medida de la anchura parcial de la desintegración:

$\mu \rightarrow \nu_\mu \bar{\nu_\mathrm{e}}\mathrm{e}$

a bajas energías en el SM permite calcular la constante de Fermi, G_F, con gran precisión. Y puesto que:

$\upsilon = (\sqrt{2}\mathrm{G_F})^{-\frac{1}{2}}$

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.

En la ficción

En la película Solaris protagonizado por George Clooney y Natascha McElhone se teoriza que los visitantes que materializa el océano viviente del planeta estarian 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 mañana, escrita por Robert J. Sawyer (1999), dos científicos desatan una catástrofe a nivel mundial mientras tratan de encontrar el esquivo bosón de Higgs.

Véase también

• bosón
• campo de Higgs
• física de partículas
• interacción Yukawa
• superfuerza

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. http://prola.aps.org/abstract/PR/v122/i1/p345_1. 
• J Goldstone, A Salam and S Weinberg (1962). «Broken Symmetries». Physical Review 127:  pp. 965. http://prola.aps.org/abstract/PR/v127/i3/p965_1. 
• P W Anderson (1963). «Plasmons, Gauge Invariance, and Mass». Physical Review 130:  pp. 439. http://prola.aps.org/abstract/PR/v130/i1/p439_1. 
• A Klein and B W Lee (1964). «Does Spontaneous Breakdown of Symmetry Imply Zero-Mass Particles?». Physical Review Letters 12:  pp. 266. http://prola.aps.org/abstract/PRL/v12/i10/p266_1. 
• F Englert and R Brout (1964). «Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons». Physical Review Letters 13:  pp. 321. http://link.aps.org/abstract/PRL/v13/p321. 
• Peter Higgs (1964). «Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields». Physics Letters 12:  pp. 132. http://dx.doi.org/10.1016/0031-9163(64)91136-9. 
• Peter Higgs (1964). «Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons». Physical Review Letters 13:  pp. 508. http://link.aps.org/abstract/PRL/v13/p508. 
• G S Guralnik, C R Hagen and T W B Kibble (1964). «Global Conservation Laws and Massless Particles». Physical Review Letters 13:  pp. 585. http://link.aps.org/abstract/PRL/v13/p585. 
• W Gilbert (1964). «Broken Symmetries and Massless Particles». Physical Review Letters 12:  pp. 713. http://link.aps.org/abstract/PRL/v12/p713. 
• Peter Higgs (1966). «Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons». Physical Review 145:  pp. 1156. http://prola.aps.org/abstract/PR/v145/i4/p1156_1. 

Enlaces externos

• 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"
• 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
• Artículo "El bosón de Higgs podría no existir"