Bosón de Higgs

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 (con excepción del gravitón), pero desempeña un rol 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 electromagnetismo (causado 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.

  Hasta 2007, ningún experimento había 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 a una partícula neutra cuya masa sea no muy lejana de la de los bosones W y Z.

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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 diferente de cero que permanece constante en el tiempo y en todo lugar del universo. El valor esperado de vacío (VEV) de un campo de Higgs es constante e igual a 246 GeV. La existencia de un VeV no cero tiene una importancia fundamental: da una masa a cada partícula elemental, incluyendo al 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 spin cero y no tiene momento angular intrínseco. El bosón de Higgs es también su propia antipartícula y tiene simetría CP.

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 2007 el bosón de Higgs no ha sido observado experimentalmente, a pesar de los grandes esfuerzos de investigación en los experimentos de los aceleradores de partículas 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 es inconclusa.^[4] El Gran Colisionador de Hadrones, actualmente bajo construcción en el CERN, se espera que sea capaz de confirmar o desmentir la existencia de este bosón.

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 interactua 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 articulos 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 solo se desconoce el valor exacto de su masa (y está por confirmar su existencia).

Referencias

• 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"

Lecturas Recomendadas

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

Enlaces externos

• 'The Grid' Could Soon Make the Internet Obsolete
• At Fermilab, the Race Is on for the 'God Particle'
• Grupo de datos de partículas

Véase también

• Física de Partículas
• Bosón
• Campo de Higgs
• Interacción Yukawa
• The Atom Smashers a blog about the making of a documentary about the search for the Higgs boson