El bosón de Higgs , a veces llamado partícula de Higgs , [9] [10] es una partícula elemental en el modelo estándar de física de partículas producida por la excitación cuántica del campo de Higgs , [11] [12] uno de los campos de la física de partículas . teoría. [12] En el modelo estándar, la partícula de Higgs es un bosón escalar masivo con espín cero , paridad par (positiva) , sin carga eléctrica y sin carga de color que se acopla (interactúa con) masa. [13] También es muy inestable y se descompone en otras partículas casi inmediatamente después de su generación.
El campo de Higgs es un campo escalar con dos componentes neutros y dos cargados eléctricamente que forman un doblete complejo de la simetría débil isospin SU(2). Su potencial " en forma de sombrero mexicano " lo lleva a tomar un valor distinto de cero en todas partes (incluido el espacio vacío), lo que rompe la simetría de isospin débil de la interacción electrodébil y, a través del mecanismo de Higgs , da una masa en reposo a todas las partículas elementales masivas de el modelo estándar, incluido el propio bosón de Higgs.
Tanto el campo como el bosón llevan el nombre del físico Peter Higgs , quien en 1964, junto con otros cinco científicos en tres equipos, propuso el mecanismo de Higgs , una forma para que algunas partículas adquieran masa . (Todas las partículas fundamentales conocidas en ese momento [c] deberían carecer de masa a energías muy altas, pero explicar completamente cómo algunas partículas ganan masa a energías más bajas había sido extremadamente difícil.) Si estas ideas fueran correctas, una partícula conocida como bosón escalar debería también existen (con ciertas propiedades). Esta partícula se llamó bosón de Higgs y podría usarse para probar si el campo de Higgs era la explicación correcta.
Después de 40 años de búsqueda , en 2012 los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN , cerca de Ginebra , descubrieron una partícula subatómica con las propiedades esperadas . Posteriormente se confirmó que la nueva partícula coincidía con las propiedades esperadas de un bosón de Higgs. Los físicos de dos de los tres equipos, Peter Higgs y François Englert , recibieron el Premio Nobel de Física en 2013 por sus predicciones teóricas. Aunque el nombre de Higgs ha llegado a asociarse con esta teoría, varios investigadores entre 1960 y 1972 desarrollaron de forma independiente diferentes partes de la misma.
En los principales medios de comunicación, al bosón de Higgs a veces se le llama "partícula de Dios" en honor al libro de 1993 The God Particle del premio Nobel Leon Lederman , [14] aunque el apodo ha sido criticado por muchos físicos. [15] [16]
Los físicos explican las partículas y fuerzas fundamentales de nuestro universo en términos del Modelo Estándar , un marco ampliamente aceptado basado en la teoría cuántica de campos que predice casi todas las partículas y fuerzas conocidas, aparte de la gravedad , con gran precisión. ( Para la gravedad se utiliza una teoría separada, la relatividad general ). En el modelo estándar, las partículas y fuerzas de la naturaleza (aparte de la gravedad) surgen de propiedades de los campos cuánticos conocidos como invariancia de calibre y simetrías . Las fuerzas en el modelo estándar son transmitidas por partículas conocidas como bosones de calibre . [17] [18]
Las teorías de invariantes de calibre son teorías que tienen una característica útil; Algunos tipos de cambios en el valor de ciertos artículos no hacen ninguna diferencia en los resultados o las mediciones que hacemos. Un ejemplo: cambiar los voltajes en un electroimán en +100 voltios no provoca ningún cambio en el campo magnético que produce. De manera similar, medir la velocidad de la luz en el vacío parece dar el mismo resultado, cualquiera que sea la ubicación en el tiempo y el espacio, y cualquiera que sea el campo gravitacional local .
En este tipo de teorías, el calibre es un elemento cuyo valor podemos cambiar. El hecho de que algunos cambios dejen sin cambios los resultados que medimos significa que es una teoría invariante de calibre, y las simetrías son los tipos específicos de cambios en el calibre que tienen el efecto de dejar las mediciones sin cambios. (Más precisamente, estas transformaciones del componente calibre no cambian la energía). Las simetrías de este tipo son herramientas poderosas para una comprensión profunda de las fuerzas y partículas fundamentales de nuestro mundo físico. Por tanto, la invariancia de calibre es una propiedad importante dentro de la teoría de la física de partículas. Están estrechamente relacionados con las leyes de conservación y se describen matemáticamente utilizando la teoría de grupos . La teoría cuántica de campos y el modelo estándar son teorías de invariancia de calibre, lo que significa que se centran en las propiedades de nuestro universo, lo que demuestra esta propiedad de la invariancia de calibre y las simetrías involucradas.
Las teorías cuánticas de campos basadas en la invariancia de calibre se habían utilizado con gran éxito para comprender las fuerzas electromagnéticas y fuertes , pero alrededor de 1960, todos los intentos de crear una teoría de invariancia de calibre para la fuerza débil (y su combinación con la fuerza electromagnética, conocida en conjunto como la interacción electrodébil ) había fallado consistentemente. Como resultado de estos fracasos, las teorías de calibre comenzaron a caer en descrédito. El problema era que los requisitos de simetría para estas dos fuerzas predijeron incorrectamente que los bosones calibre de la fuerza débil ( W y Z ) tendrían "masa cero" (en la terminología especializada de la física de partículas, "masa" se refiere específicamente a la masa en reposo de una partícula ). Pero los experimentos demostraron que los bosones de calibre W y Z tenían masa distinta de cero (en reposo). [20]
Además, muchas soluciones prometedoras parecían requerir la existencia de partículas adicionales conocidas como bosones de Goldstone . Pero la evidencia sugirió que estos tampoco existían. Esto significaba que la invariancia de calibre era un enfoque incorrecto o que algo desconocido estaba dando masa a los bosones W y Z de la fuerza débil, y lo hacía de una manera que no creaba bosones de Goldstone. A finales de la década de 1950 y principios de la de 1960, los físicos no sabían cómo resolver estos problemas o cómo crear una teoría integral para la física de partículas.
A finales de la década de 1950, Yoichiro Nambu reconoció que la ruptura espontánea de la simetría , un proceso en el que un sistema simétrico se vuelve asimétrico, podría ocurrir bajo ciertas condiciones. [d] La ruptura de la simetría se produce cuando alguna variable que anteriormente no afectaba los resultados medidos ( originalmente era una "simetría" ) ahora sí afecta los resultados medidos ( ahora está "rota" y ya no es una simetría ). En 1962, el físico Philip Anderson , experto en física de la materia condensada , observó que la ruptura de la simetría desempeñaba un papel en la superconductividad y sugirió que también podría ser parte de la respuesta al problema de la invariancia de calibre en la física de partículas.
Específicamente, Anderson sugirió que los bosones de Goldstone que resultarían de la ruptura de la simetría podrían, en algunas circunstancias, ser "absorbidos" [e] por los bosones W y Z sin masa . De ser así, quizás los bosones de Goldstone no existirían, y los bosones W y Z podrían ganar masa , solucionando ambos problemas a la vez. Ya se teorizó un comportamiento similar en la superconductividad. [21] En 1964, los físicos Abraham Klein y Benjamin Lee demostraron que esto era teóricamente posible , al menos para algunos casos limitados ( no relativistas ). [22]
Después de los artículos de 1963 [23] y principios de 1964 [22] , tres grupos de investigadores desarrollaron de forma independiente estas teorías de manera más completa, en lo que se conoció como los artículos de ruptura de simetría PRL de 1964 . Los tres grupos llegaron a conclusiones similares y para todos los casos, no sólo para algunos casos limitados. Demostraron que las condiciones para la simetría electrodébil se "romperían" si existiera un tipo inusual de campo en todo el universo y, de hecho, no habría bosones de Goldstone y algunos bosones existentes adquirirían masa .
El campo necesario para que esto sucediera (que era puramente hipotético en ese momento) se conoció como campo de Higgs (en honor a Peter Higgs , uno de los investigadores) y el mecanismo por el cual condujo a la ruptura de la simetría, conocido como mecanismo de Higgs . Una característica clave del campo necesario es que se necesitaría menos energía para que el campo tenga un valor distinto de cero que un valor cero, a diferencia de todos los demás campos conocidos, por lo tanto, el campo de Higgs tiene un valor distinto de cero (o expectativa de vacío). ) en todos lados . En teoría, este valor distinto de cero podría romper la simetría electrodébil. Fue la primera propuesta capaz de mostrar cómo los bosones de fuerza débiles podrían tener masa a pesar de su simetría gobernante, dentro de una teoría invariante de fuerza.
Aunque estas ideas no obtuvieron mucho apoyo o atención inicial, en 1972 se habían convertido en una teoría integral y demostraron ser capaces de dar resultados "sensibles" que describían con precisión partículas conocidas en ese momento y que, con precisión excepcional, predecían varias otras. partículas descubiertas durante los años siguientes . [f] Durante la década de 1970, estas teorías se convirtieron rápidamente en el modelo estándar de la física de partículas.
Para permitir la ruptura de la simetría, el modelo estándar incluye un campo del tipo necesario para "romper" la simetría electrodébil y dar a las partículas su masa correcta. Se planteó la hipótesis de que este campo, que pasó a ser conocido como "campo de Higgs", existía en todo el espacio y rompía algunas leyes de simetría de la interacción electrodébil , desencadenando el mecanismo de Higgs. Por lo tanto, causaría que los bosones de calibre W y Z de la fuerza débil fueran masivos a todas las temperaturas por debajo de un valor extremadamente alto. [g] Cuando los bosones de fuerza débil adquieren masa, esto afecta la distancia que pueden viajar libremente, que se vuelve muy pequeña, lo que también coincide con los hallazgos experimentales. [h] Además, más tarde se comprendió que el mismo campo también explicaría, de forma diferente, por qué otros constituyentes fundamentales de la materia (incluidos los electrones y los quarks ) tienen masa.
A diferencia de todos los demás campos conocidos, como el campo electromagnético , el campo de Higgs es un campo escalar , y tiene un valor medio distinto de cero en el vacío .
Todavía no había ninguna evidencia directa de que existiera el campo de Higgs, pero incluso sin pruebas directas, la precisión de sus predicciones llevó a los científicos a creer que la teoría podría ser cierta. En la década de 1980, la cuestión de si existía el campo de Higgs y, por tanto, si todo el modelo estándar era correcto, pasó a considerarse una de las cuestiones sin respuesta más importantes de la física de partículas .
Durante muchas décadas, los científicos no tuvieron forma de determinar si el campo de Higgs existía porque en ese momento no existía la tecnología necesaria para su detección. Si el campo de Higgs existiera, entonces sería diferente a cualquier otro campo fundamental conocido, pero también era posible que estas ideas clave, o incluso todo el Modelo Estándar, fueran de alguna manera incorrectas. [i]
La existencia del campo de Higgs se convirtió en la última parte no verificada del modelo estándar de física de partículas y durante varias décadas fue considerada "el problema central de la física de partículas". [25] [26]
La hipótesis de la teoría de Higgs hizo varias predicciones clave. [f] [27] : 22 Una predicción crucial fue que también debería existir una partícula coincidente , llamada "bosón de Higgs". Probar la existencia del bosón de Higgs probaría si el campo de Higgs existió y, por lo tanto, demostraría finalmente si la explicación del modelo estándar era correcta. Por lo tanto, hubo una búsqueda exhaustiva del bosón de Higgs , como una forma de demostrar que el campo de Higgs en sí existía. [11] [12]
Aunque el campo de Higgs existiría en todas partes, demostrar su existencia no era nada fácil. En principio, se puede demostrar su existencia detectando sus excitaciones , que se manifiestan como partículas de Higgs (el bosón de Higgs ), pero estas son extremadamente difíciles de producir y detectar debido a la energía necesaria para producirlas y a su muy rara producción, incluso si el la energía es suficiente. Por lo tanto, pasaron varias décadas antes de que se pudiera encontrar la primera evidencia del bosón de Higgs. Los colisionadores de partículas , los detectores y las computadoras capaces de buscar los bosones de Higgs tardaron más de 30 años ( c. 1980~2010 ) en desarrollarse.
La importancia de esta cuestión fundamental llevó a una búsqueda que duró 40 años y a la construcción de una de las instalaciones experimentales más caras y complejas del mundo hasta la fecha, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN , [28] en un intento de crear bosones de Higgs y otros partículas para observación y estudio. El 4 de julio de 2012 se descubrió una nueva partícula con una masa entre 125 yse anunció 127 GeV/ c 2 ; Los físicos sospecharon que se trataba del bosón de Higgs. [29] [j] [30] [31]
Desde entonces, se ha demostrado que la partícula se comporta, interactúa y se desintegra de muchas de las formas predichas para las partículas de Higgs por el modelo estándar, además de tener paridad par y espín cero , [7] [8] dos atributos fundamentales de una partícula. Bosón de Higgs. Esto también significa que es la primera partícula escalar elemental descubierta en la naturaleza. [32]
En marzo de 2013, se confirmó la existencia del bosón de Higgs y, por lo tanto, se apoya firmemente el concepto de algún tipo de campo de Higgs en todo el espacio. [29] [31] [7]
La presencia del campo, ahora confirmada por la investigación experimental, explica por qué algunas partículas fundamentales tienen masa (en reposo) , a pesar de las simetrías que controlan sus interacciones, lo que implica que deberían carecer de masa. También resuelve varios otros enigmas de larga data, como el motivo de la distancia extremadamente corta recorrida por los bosones de fuerza débil y, por lo tanto, el alcance extremadamente corto de la fuerza débil.
A partir de 2018, una investigación en profundidad muestra que la partícula continúa comportándose de acuerdo con las predicciones para el bosón de Higgs del modelo estándar. Se necesitan más estudios para verificar con mayor precisión que la partícula descubierta tiene todas las propiedades predichas o si, como describen algunas teorías, existen múltiples bosones de Higgs. [33]
Actualmente se están investigando más a fondo la naturaleza y las propiedades de este campo, utilizando más datos recopilados en el LHC. [34]
Se han utilizado varias analogías para describir el campo y el bosón de Higgs, incluidas analogías con efectos de ruptura de simetría bien conocidos, como el arco iris y el prisma , los campos eléctricos y las ondas en la superficie del agua.
Otras analogías basadas en la resistencia de los macroobjetos que se mueven a través de los medios (como personas que se mueven entre multitudes o algunos objetos que se mueven a través de jarabe o melaza ) se usan comúnmente pero son engañosas, ya que el campo de Higgs en realidad no resiste las partículas y el efecto de la masa no es causado por resistencia.
En el modelo estándar, el bosón de Higgs es un bosón escalar masivo cuya masa debe encontrarse experimentalmente. Se ha determinado que su masa es125,35 ± 0,15 GeV/ c2 . [35] Es la única partícula que permanece masiva incluso a energías muy altas. Tiene espín cero, paridad par (positiva) , no tiene carga eléctrica ni carga de color , y se acopla (interactúa con) la masa. [13] También es muy inestable y se descompone en otras partículas casi inmediatamente a través de varias vías posibles.
El campo de Higgs es un campo escalar , con dos componentes neutros y dos cargados eléctricamente que forman un doblete complejo de la simetría débil isospin SU(2). A diferencia de cualquier otro campo cuántico conocido, tiene un potencial " en forma de sombrero mexicano ". Esta forma significa que por debajo de energías extremadamente altas de aproximadamente159,5 ± 1,5 GeV [36] , como los observados durante el primer picosegundo (10 −12 s) del Big Bang , el campo de Higgs en su estado fundamental requiere menos energía para tener una expectativa (valor) de vacío distinta de cero que un valor cero. Por lo tanto, en el universo actual, el campo de Higgs tiene un valor distinto de cero en todas partes (incluido el espacio que de otro modo estaría vacío). Este valor distinto de cero, a su vez, rompe la simetría débil de isospin SU(2) de la interacción electrodébil en todas partes. (Técnicamente, el valor esperado distinto de cero convierte los términos de acoplamiento Yukawa del Lagrangiano en términos de masa). Cuando esto sucede, tres componentes del campo de Higgs son "absorbidos" por los bosones de calibre SU(2) y U(1) (los " Mecanismo de Higgs ") para convertirse en los componentes longitudinales de los ahora masivos bosones W y Z de la fuerza débil . El componente eléctricamente neutro restante se manifiesta como un bosón de Higgs o puede acoplarse por separado a otras partículas conocidas como fermiones (a través de acoplamientos Yukawa ), lo que hace que estas también adquieran masa . [37]
La evidencia del campo de Higgs y sus propiedades ha sido extremadamente significativa por muchas razones. La importancia del bosón de Higgs es en gran medida que puede examinarse utilizando el conocimiento existente y la tecnología experimental, como una forma de confirmar y estudiar toda la teoría del campo de Higgs. [11] [12] Por el contrario, la prueba de que el campo de Higgs y el bosón no existían también habría sido significativa.
El bosón de Higgs valida el Modelo Estándar mediante el mecanismo de generación de masa . A medida que se realicen mediciones más precisas de sus propiedades, se podrán sugerir o excluir extensiones más avanzadas. A medida que se desarrollen medios experimentales para medir los comportamientos y las interacciones del campo, este campo fundamental podrá entenderse mejor. Si no se hubiera descubierto el campo de Higgs, habría sido necesario modificar o reemplazar el modelo estándar.
En relación con esto, existe generalmente entre los físicos la creencia de que es probable que haya una física "nueva" más allá del Modelo Estándar , y que el Modelo Estándar en algún momento será ampliado o reemplazado. El descubrimiento del Higgs, así como las numerosas colisiones medidas que ocurren en el LHC, proporcionan a los físicos una herramienta sensible para buscar en sus datos cualquier evidencia de que el Modelo Estándar parece fallar, y podría proporcionar evidencia considerable que oriente a los investigadores hacia futuros desarrollos teóricos.
Por debajo de una temperatura extremadamente alta, la ruptura de la simetría electrodébil hace que la interacción electrodébil se manifieste en parte como la fuerza débil de corto alcance , que es transportada por bosones de calibre masivos . En la historia del universo , se cree que la ruptura de la simetría electrodébil ocurrió aproximadamente 1 picosegundo (10 −12 s) después del Big Bang , cuando el universo estaba a una temperatura159,5 ± 1,5 GeV / kB . [38] Esta ruptura de simetría es necesaria para que se formen átomos y otras estructuras, así como para reacciones nucleares en estrellas, como el Sol . El campo de Higgs es responsable de esta ruptura de simetría.
El campo de Higgs es fundamental para generar masas de quarks y leptones cargados (mediante el acoplamiento de Yukawa) y los bosones calibre W y Z (mediante el mecanismo de Higgs).
Vale la pena señalar que el campo de Higgs no "crea" masa de la nada (lo que violaría la ley de conservación de la energía ), ni es responsable de la masa de todas las partículas. Por ejemplo, aproximadamente el 99% de la masa de los bariones ( partículas compuestas como el protón y el neutrón ) se debe en cambio a la energía de enlace cromodinámica cuántica , que es la suma de las energías cinéticas de los quarks y las energías de los gluones sin masa que median en la masa de los bariones (partículas compuestas como el protón y el neutrón). Fuerte interacción dentro de los bariones. [39] En las teorías basadas en Higgs, la propiedad de la "masa" es una manifestación de la energía potencial transferida a las partículas fundamentales cuando interactúan ("se acoplan") con el campo de Higgs, que había contenido esa masa en forma de energía . [40]
El campo de Higgs es el único campo escalar (spin-0) que se detecta; Todos los demás campos fundamentales en el modelo estándar son spin- 1 /2 fermiones o bosones spin-1. [k] Según Rolf-Dieter Heuer , director general del CERN cuando se descubrió el bosón de Higgs, esta prueba de la existencia de un campo escalar es casi tan importante como el papel de Higgs en la determinación de la masa de otras partículas. Sugiere que quizás también podrían existir otros campos escalares hipotéticos sugeridos por otras teorías, desde el inflatón hasta la quintaesencia . [41] [42]
Se han realizado considerables investigaciones científicas sobre posibles vínculos entre el campo de Higgs y el inflatón , un campo hipotético sugerido como explicación de la expansión del espacio durante la primera fracción de segundo del universo (conocida como la " época inflacionaria "). Algunas teorías sugieren que un campo escalar fundamental podría ser el responsable de este fenómeno; el campo de Higgs es uno de esos campos, y su existencia ha dado lugar a artículos que analizan si también podría ser el inflatón responsable de esta expansión exponencial del universo durante el Big Bang . Estas teorías son muy provisionales y enfrentan problemas importantes relacionados con la unitaridad , pero pueden ser viables si se combinan con características adicionales como un gran acoplamiento no mínimo, un escalar de Brans-Dicke u otra física "nueva", y han recibido tratamientos que sugieren que Los modelos de inflación del Higgs siguen siendo de interés teórico.
En el modelo estándar, existe la posibilidad de que el estado subyacente de nuestro universo, conocido como "vacío", sea duradero, pero no completamente estable . En este escenario, el universo tal como lo conocemos podría efectivamente destruirse al colapsar a un estado de vacío más estable . [44] [45] [46] [47] [48] Esto a veces se informó erróneamente como si el bosón de Higgs "terminara" el universo. [l] Si las masas del bosón de Higgs y del quark top se conocen con mayor precisión, y el modelo estándar proporciona una descripción precisa de la física de partículas hasta energías extremas de la escala de Planck , entonces es posible calcular si el vacío es estable o simplemente de larga duración. [51] [52] [53] Una masa de Higgs de125-127 GeV/ c 2 parece estar extremadamente cerca del límite de estabilidad, pero una respuesta definitiva requiere mediciones mucho más precisas de la masa polar del quark top. [43] La nueva física puede cambiar este panorama. [54]
Si las mediciones del bosón de Higgs sugieren que nuestro universo se encuentra dentro de un falso vacío de este tipo, entonces implicaría – más que probablemente dentro de muchos miles de millones de años [55] [m] – que las fuerzas, partículas y estructuras del universo podrían cesar. existir tal como los conocemos (y ser reemplazados por otros diferentes), si se nucleara un verdadero vacío . [55] [n] También sugiere que el autoacoplamiento λ de Higgs y su función β λ podrían estar muy cerca de cero en la escala de Planck, con implicaciones "intrigantes", incluidas las teorías de la gravedad y la inflación basada en Higgs. [43] : 218 [57] [58] Un futuro colisionador electrón-positrón podría proporcionar las mediciones precisas del quark superior necesarias para tales cálculos. [43]
De manera más especulativa, el campo de Higgs también ha sido propuesto como la energía del vacío , que en las energías extremas de los primeros momentos del Big Bang hizo que el universo fuera una especie de simetría monótona de energía indiferenciada y extremadamente alta. En este tipo de especulación, el único campo unificado de una Gran Teoría Unificada se identifica como (o se modela sobre) el campo de Higgs, y es a través de sucesivas rupturas de simetría del campo de Higgs, o de algún campo similar, en las transiciones de fase que actualmente Surgen fuerzas y campos conocidos del universo. [59]
La relación (si la hay) entre el campo de Higgs y la densidad de energía del vacío del universo actualmente observada también ha sido objeto de estudio científico. Como se ha observado, la actual densidad de energía del vacío es extremadamente cercana a cero, pero las densidades de energía predichas a partir del campo de Higgs, la supersimetría y otras teorías actuales suelen ser muchos órdenes de magnitud mayores. No está claro cómo deberían conciliarse. Este problema cosmológico constante sigue siendo un importante problema sin respuesta en física.
Los físicos de partículas estudian la materia formada por partículas fundamentales cuyas interacciones están mediadas por partículas de intercambio ( bosones de calibre ) que actúan como portadores de fuerza . A principios de los años 1960 se habían descubierto o propuesto varias de estas partículas, junto con teorías que sugerían cómo se relacionaban entre sí, algunas de las cuales ya habían sido reformuladas como teorías de campo en las que los objetos de estudio no eran partículas y fuerzas, sino los campos cuánticos y sus simetrías . [60] : 150 Sin embargo, los intentos de producir modelos de campos cuánticos para dos de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas (la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil ) y luego unificar estas interacciones aún no tuvieron éxito.
Un problema conocido era que los enfoques de invariantes de calibre , incluidos los modelos no abelianos como la teoría de Yang-Mills (1954), que era muy prometedor para las teorías unificadas, también parecían predecir partículas masivas conocidas como sin masa. [21] El teorema de Goldstone , relacionado con las simetrías continuas dentro de algunas teorías, también parecía descartar muchas soluciones obvias, [61] ya que parecía mostrar que también tendrían que existir partículas de masa cero conocidas como bosones de Goldstone que simplemente "no eran". visto". [62] Según Guralnik , los físicos "no entendían" cómo podrían superarse estos problemas. [62]
El físico de partículas y matemático Peter Woit resumió el estado de la investigación en ese momento:
El trabajo de Yang y Mills sobre la teoría del calibre no abeliano tenía un gran problema: en la teoría de la perturbación tiene partículas sin masa que no se corresponden con nada de lo que vemos. Una forma de solucionar este problema ahora se comprende bastante bien: el fenómeno de confinamiento realizado en QCD , donde las interacciones fuertes eliminan los estados de "gluones" sin masa a largas distancias. A principios de los años sesenta, la gente había empezado a comprender otra fuente de partículas sin masa: la ruptura espontánea de una simetría continua. Lo que Philip Anderson se dio cuenta y resolvió en el verano de 1962 fue que, cuando se tiene tanto simetría de calibre como ruptura espontánea de la simetría, el modo sin masa Nambu-Goldstone [que da origen a los bosones de Goldstone] puede combinarse con los modos de campo de calibre sin masa [que dar lugar a bosones de calibre sin masa] para producir un campo vectorial físico masivo [bosones de calibre con masa]. Esto es lo que ocurre en la superconductividad , un tema en el que Anderson fue (y es) uno de los principales expertos. [21] [texto condensado]
El mecanismo de Higgs es un proceso mediante el cual los bosones vectoriales pueden adquirir masa en reposo sin romper explícitamente la invariancia de calibre , como subproducto de la ruptura espontánea de la simetría . [63] [64] Inicialmente, la teoría matemática detrás de la ruptura espontánea de la simetría fue concebida y publicada dentro de la física de partículas por Yoichiro Nambu en 1960 [65] (y algo anticipada por Ernst Stueckelberg en 1938 [66] ), y el concepto de que tal El mecanismo podría ofrecer una posible solución al "problema de la masa" fue sugerido originalmente en 1962 por Philip Anderson, quien anteriormente había escrito artículos sobre la simetría rota y sus resultados en la superconductividad. [67] Anderson concluyó en su artículo de 1963 sobre la teoría de Yang-Mills, que "considerando el análogo superconductor... [e]stos dos tipos de bosones parecen capaces de cancelarse entre sí... dejando bosones de masa finita"), [68] [23] y en marzo de 1964, Abraham Klein y Benjamin Lee demostraron que el teorema de Goldstone podría evitarse de esta manera en al menos algunos casos no relativistas, y especularon que podría ser posible en casos verdaderamente relativistas. [22]
Estos enfoques fueron rápidamente desarrollados hasta convertirse en un modelo relativista completo , de forma independiente y casi simultánea, por tres grupos de físicos: François Englert y Robert Brout en agosto de 1964; [69] por Peter Higgs en octubre de 1964; [70] y por Gerald Guralnik , Carl Hagen y Tom Kibble (GHK) en noviembre de 1964. [71] Higgs también escribió una breve, pero importante, [63] respuesta publicada en septiembre de 1964 a una objeción de Gilbert , [72] lo que demostró que si se calcula dentro del indicador de radiación, el teorema de Goldstone y la objeción de Gilbert se volverían inaplicables. [o] Higgs describió más tarde la objeción de Gilbert como lo que motivó su propio artículo. [73] Las propiedades del modelo fueron consideradas más a fondo por Guralnik en 1965, [74] por Higgs en 1966, [75] por Kibble en 1967, [76] y además por GHK en 1967. [77] Los tres artículos originales de 1964 demostraron que cuando una teoría de calibre se combina con un campo escalar cargado adicional que rompe espontáneamente la simetría, los bosones de calibre pueden adquirir consistentemente una masa finita. [63] [64] [78] En 1967, Steven Weinberg [79] y Abdus Salam [80] demostraron de forma independiente cómo se podía utilizar un mecanismo de Higgs para romper la simetría electrodébil del modelo unificado de Sheldon Glashow para las interacciones débiles y electromagnéticas. , [81] (en sí mismo una extensión del trabajo de Schwinger ), formando lo que se convirtió en el Modelo Estándar de la física de partículas. Weinberg fue el primero en observar que esto también proporcionaría términos de masa para los fermiones. [82] [p]
Al principio, estos artículos fundamentales sobre la ruptura espontánea de las simetrías de calibre fueron en gran medida ignorados, porque se creía ampliamente que las teorías (no abelianas de calibre) en cuestión eran un callejón sin salida y, en particular, que no podían volver a normalizarse . En 1971-72, Martinus Veltman y Gerard 't Hooft demostraron que la renormalización de Yang-Mills era posible en dos artículos que cubrían campos sin masa y luego masivos. [82] Su contribución, y el trabajo de otros en el grupo de renormalización , incluido el trabajo teórico "sustancial" de los físicos rusos Ludvig Faddeev , Andrei Slavnov , Efim Fradkin e Igor Tyutin [83] , fue finalmente "enormemente profundo e influyente". [84] pero incluso con todos los elementos clave de la teoría final publicados, casi no hubo un interés más amplio. Por ejemplo, Coleman encontró en un estudio que "esencialmente nadie prestó atención" al artículo de Weinberg antes de 1971 [85] y discutido por David Politzer en su discurso del Nobel de 2004. [84] – ahora el más citado en física de partículas [86] – e incluso en 1970, según Politzer, la enseñanza de Glashow sobre la interacción débil no contenía ninguna mención del trabajo de Weinberg, Salam o Glashow. [84] En la práctica, afirma Politzer, casi todos conocieron la teoría gracias al físico Benjamin Lee , quien combinó el trabajo de Veltman y 't Hooft con ideas de otros, y popularizó la teoría completa. [84] De esta manera, a partir de 1971, el interés y la aceptación "explotaron" [84] y las ideas fueron rápidamente absorbidas por la corriente principal. [82] [84]
La teoría electrodébil y el modelo estándar resultantes han predicho con precisión (entre otras cosas) corrientes neutras débiles , tres bosones , los quarks top y charm , y con gran precisión, la masa y otras propiedades de algunos de ellos. [f] Muchos de los involucrados finalmente ganaron premios Nobel u otros premios de renombre. Un artículo de 1974 y una revisión exhaustiva en Reviews of Modern Physics comentaron que "si bien nadie dudaba de la exactitud [matemática] de estos argumentos, nadie creía que la naturaleza fuera lo suficientemente diabólicamente inteligente como para aprovecharlos", [87] y agregaba que Hasta ahora la teoría había producido respuestas precisas que concordaban con los experimentos, pero se desconocía si la teoría era fundamentalmente correcta. [88] En 1986 y nuevamente en la década de 1990, fue posible escribir que comprender y demostrar el sector de Higgs del modelo estándar era "el problema central actual en la física de partículas". [25] [26]
Los tres artículos escritos en 1964 fueron reconocidos como artículos hitos durante la celebración del 50 aniversario de Physical Review Letters . [78] Sus seis autores también recibieron el Premio JJ Sakurai 2010 de Física Teórica de Partículas por este trabajo. [89] (Ese mismo año también surgió una controversia, porque en el caso de un Premio Nobel sólo se podía reconocer hasta tres científicos, seis de los cuales serían acreditados por los artículos. [90] ) Dos de los tres artículos de PRL (por Higgs y por GHK) contenía ecuaciones para el campo hipotético que eventualmente se conocería como campo de Higgs y su cuanto hipotético , el bosón de Higgs. [70] [71] El artículo posterior de Higgs de 1966 mostró el mecanismo de desintegración del bosón; sólo un bosón masivo puede desintegrarse y las desintegraciones pueden probar el mecanismo. [ cita necesaria ]
En el artículo de Higgs, el bosón es masivo, y en una frase final, Higgs escribe que "una característica esencial" de la teoría "es la predicción de multipletes incompletos de bosones escalares y vectoriales ". [70] ( Frank Close comenta que los teóricos del calibre de la década de 1960 se centraron en el problema de los bosones vectoriales sin masa , y que la existencia implícita de un bosón escalar masivo no se consideraba importante; solo Higgs lo abordó directamente. [91] : 154, 166, 175 ) En el artículo de GHK, el bosón no tiene masa y está desacoplado de los estados masivos. [71] En revisiones de 2009 y 2011, Guralnik afirma que en el modelo GHK el bosón no tiene masa solo en una aproximación de orden más bajo, pero no está sujeto a ninguna restricción y adquiere masa en órdenes superiores, y agrega que el artículo de GHK fue el único que demostró que no hay bosones de Goldstone sin masa en el modelo y dio un análisis completo del mecanismo general de Higgs. [62] [92] Los tres llegaron a conclusiones similares, a pesar de sus enfoques muy diferentes: el artículo de Higgs utilizó esencialmente técnicas clásicas, el de Englert y Brout involucró el cálculo de la polarización del vacío en la teoría de la perturbación en torno a un supuesto estado de vacío que rompe la simetría, y GHK utilizó el formalismo de operador. y leyes de conservación para explorar en profundidad las formas en que se puede solucionar el teorema de Goldstone. [63] Algunas versiones de la teoría predijeron más de un tipo de campos y bosones de Higgs, y se consideraron modelos alternativos "sin Higgs" hasta el descubrimiento del bosón de Higgs.
Para producir bosones de Higgs, se aceleran dos haces de partículas a energías muy altas y se les permite colisionar dentro de un detector de partículas . Ocasionalmente, aunque raramente, se creará fugazmente un bosón de Higgs como parte de los subproductos de la colisión. Debido a que el bosón de Higgs se desintegra muy rápidamente, los detectores de partículas no pueden detectarlo directamente. En lugar de ello, los detectores registran todos los productos de desintegración (la firma de desintegración ) y a partir de los datos se reconstruye el proceso de desintegración. Si los productos de desintegración observados coinciden con un posible proceso de desintegración (conocido como canal de desintegración ) de un bosón de Higgs, esto indica que es posible que se haya creado un bosón de Higgs. En la práctica, muchos procesos pueden producir firmas de desintegración similares. Afortunadamente, el modelo estándar predice con precisión la probabilidad de que ocurra cada uno de estos y cada proceso conocido. Entonces, si el detector detecta más firmas de desintegración que coinciden consistentemente con un bosón de Higgs de lo que se esperaría si los bosones de Higgs no existieran, entonces esto sería una fuerte evidencia de que el bosón de Higgs existe.
Debido a que la producción del bosón de Higgs en una colisión de partículas probablemente sea muy rara (1 entre 10 mil millones en el LHC), [q] y muchos otros posibles eventos de colisión pueden tener firmas de desintegración similares, es necesario analizar los datos de cientos de billones de colisiones. analizados y deben "mostrar la misma imagen" antes de poder llegar a una conclusión sobre la existencia del bosón de Higgs. Para concluir que se ha encontrado una nueva partícula, los físicos de partículas requieren que el análisis estadístico de dos detectores de partículas independientes indique cada uno que hay menos de una probabilidad entre un millón de que las firmas de desintegración observadas se deban simplemente al fondo aleatorio. Modelar eventos, es decir, que el número observado de eventos sea más de cinco desviaciones estándar (sigma) diferente del esperado si no hubiera ninguna partícula nueva. Más datos de colisiones permiten una mejor confirmación de las propiedades físicas de cualquier partícula nueva observada y permiten a los físicos decidir si en realidad se trata de un bosón de Higgs como lo describe el Modelo Estándar o alguna otra partícula nueva hipotética.
Para encontrar el bosón de Higgs, se necesitaba un potente acelerador de partículas , porque es posible que los bosones de Higgs no se vean en experimentos de baja energía. El colisionador necesitaba tener una alta luminosidad para garantizar que se vieran suficientes colisiones para poder sacar conclusiones. Por último, se necesitaban instalaciones informáticas avanzadas para procesar la gran cantidad de datos (25 petabytes por año en 2012) producidos por las colisiones. [95] Para el anuncio del 4 de julio de 2012, se construyó en el CERN un nuevo colisionador conocido como Gran Colisionador de Hadrones con una energía de colisión prevista de 14 TeV (más de siete veces la de cualquier colisionador anterior) y más de 300 billones (3×10+14 ) Las colisiones protón-protón del LHC fueron analizadas por LHC Computing Grid , la red informática más grande del mundo(a partir de 2012), que comprende más de 170 instalaciones informáticas en una red mundial en 36 países. [95] [96] [97]
La primera búsqueda exhaustiva del bosón de Higgs se llevó a cabo en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) del CERN en la década de 1990. Al finalizar su servicio en 2000, la LEP no había encontrado pruebas concluyentes del Higgs. [r] Esto implicaba que si el bosón de Higgs existiera tendría que ser más pesado que114,4 GeV/ c2 . [98]
La búsqueda continuó en el Fermilab de Estados Unidos, donde el Tevatron , el colisionador que descubrió el quark top en 1995, fue modernizado para este fin. No había garantía de que el Tevatron fuera capaz de encontrar el Higgs, pero era el único supercolisionador que estaba operativo ya que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) todavía estaba en construcción y el Supercolisionador Superconductor planificado había sido cancelado en 1993 y nunca completado. . El Tevatron solo pudo excluir mayores alcances para la masa de Higgs y fue cerrado el 30 de septiembre de 2011 porque ya no podía seguir el ritmo del LHC. El análisis final de los datos excluyó la posibilidad de un bosón de Higgs con una masa entre147 GeV/ c 2 y180 GeV/ c2 . Además, hubo un pequeño (pero no significativo) exceso de eventos que posiblemente indicaban un bosón de Higgs con una masa entre115 GeV/ c 2 y140 GeV/ c2 . [99]
El Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Suiza fue diseñado específicamente para poder confirmar o excluir la existencia del bosón de Higgs. Construido en un túnel subterráneo de 27 km cerca de Ginebra , originalmente habitado por la LEP, fue diseñado para colisionar dos haces de protones, inicialmente a energías de3,5 TeV por haz (7 TeV en total), o casi 3,6 veces más que el Tevatron, y actualizable a 2 × 7 TeV (14 TeV en total) en el futuro. La teoría sugería que si el bosón de Higgs existía, las colisiones en estos niveles de energía deberían poder revelarlo. Como uno de los instrumentos científicos más complicados jamás construidos, su preparación operativa se retrasó durante 14 meses debido a un evento de extinción de imanes nueve días después de sus pruebas inaugurales, causado por una conexión eléctrica defectuosa que dañó más de 50 imanes superconductores y contaminó el sistema de vacío. [100] [101] [102]
La recopilación de datos en el LHC finalmente comenzó en marzo de 2010. [103] En diciembre de 2011, los dos principales detectores de partículas del LHC, ATLAS y CMS , habían reducido el rango de masa en el que podría existir el Higgs a aproximadamente116–130 GeV/ c 2 (ATLAS) y115-127 GeV/ c2 (CMS) . [104] [105] También hubo una serie de excesos de eventos prometedores que se habían "evaporado" y demostraron ser nada más que fluctuaciones aleatorias. Sin embargo, alrededor de mayo de 2011, [106] ambos experimentos habían visto entre sus resultados la lenta aparición de un pequeño pero consistente exceso de firmas de desintegración gamma y de 4 leptones y varias otras desintegraciones de partículas, todo lo cual insinúa una nueva partícula con una masa mayor. alrededor125 GeV/ c2 . [106] Alrededor de noviembre de 2011, los datos anómalos en125 GeV/ c 2 se estaba volviendo "demasiado grande para ignorarlo" (aunque todavía estaba lejos de ser concluyente), y los líderes de equipo tanto en ATLAS como en CMS sospechaban en privado que podrían haber encontrado el Higgs. [106] El 28 de noviembre de 2011, en una reunión interna de los dos líderes de equipo y el director general del CERN, los últimos análisis se discutieron fuera de sus equipos por primera vez, lo que sugiere que tanto ATLAS como CMS podrían estar convergiendo en un posible resultado compartido. en125 GeV/ c 2 y se iniciaron los preparativos iniciales en caso de un hallazgo exitoso. [106] Si bien esta información no se conoció públicamente en ese momento, la reducción del posible rango de Higgs a alrededor de115–130 GeV/2 y la observación repetida de excesos de eventos pequeños pero consistentes en múltiples canales tanto en ATLAS como en CMS en elLa región de 124-126 GeV/ c 2 (descrita como "pistas tentadoras" de alrededor de 2-3 sigma) era de conocimiento público con "mucho interés". [107] Por lo tanto, a finales de 2011 se anticipó ampliamente que el LHC proporcionaría datos suficientes para excluir o confirmar el hallazgo de un bosón de Higgs para finales de 2012, cuando sus datos de colisión de 2012 (con una colisión de 8 TeV ligeramente superior) energía) había sido examinado. [107] [108]
El 22 de junio de 2012, el CERN anunció un próximo seminario que cubriría las conclusiones provisionales para 2012, [112] [113] y poco después (alrededor del 1 de julio de 2012, según un análisis del rumor que se propagaba en las redes sociales [114] ) comenzaron a difundirse rumores en Los medios de comunicación dijeron que esto incluiría un anuncio importante, pero no estaba claro si sería una señal más fuerte o un descubrimiento formal. [115] [116] La especulación aumentó a un punto "febril" cuando surgieron informes de que Peter Higgs , quien propuso la partícula, asistiría al seminario, [117] [118] y que "cinco físicos destacados" habían sido invitados. generalmente se cree que se refiere a los cinco autores vivos de 1964, con la asistencia de Higgs, Englert, Guralnik, Hagen y Kibble confirmando su invitación (Brout murió en 2011). [119]
El 4 de julio de 2012, ambos experimentos del CERN anunciaron que habían hecho de forma independiente el mismo descubrimiento: [120] CMS de un bosón previamente desconocido con masa125,3 ± 0,6 GeV/ c 2 [121] [122] y ATLAS de un bosón con masa126,0 ± 0,6 GeV/ c2 . [123] [124] Utilizando el análisis combinado de dos tipos de interacción (conocidos como 'canales'), ambos experimentos alcanzaron de forma independiente una significación local de 5 sigma, lo que implica que la probabilidad de obtener un resultado al menos tan fuerte solo por casualidad es menor. de uno entre tres millones. Cuando se tuvieron en cuenta canales adicionales, la importancia de CMS se redujo a 4,9 sigma. [122]
Los dos equipos habían estado trabajando "a ciegas" entre sí desde finales de 2011 o principios de 2012, [106] lo que significa que no discutieron sus resultados entre sí, lo que proporciona una certeza adicional de que cualquier hallazgo común era una validación genuina de una partícula. [95] Este nivel de evidencia, confirmado de forma independiente por dos equipos y experimentos separados, cumple con el nivel formal de prueba requerido para anunciar un descubrimiento confirmado.
El 31 de julio de 2012, la colaboración ATLAS presentó un análisis de datos adicional sobre la "observación de una nueva partícula", incluidos datos de un tercer canal, que mejoró la importancia a 5,9 sigma (una probabilidad entre 588 millones de obtener pruebas al menos tan sólidas mediante efectos de fondo aleatorios solos) y masa 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/ c 2 , [124] y CMS mejoró la significancia a 5-sigma y masa 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/ c 2 . [121]
Tras el descubrimiento de 2012, aún no se había confirmado si elLa partícula de 125 GeV/ c 2 era un bosón de Higgs. Por un lado, las observaciones se mantuvieron consistentes con la partícula observada como el bosón de Higgs del modelo estándar, y la partícula se desintegró en al menos algunos de los canales predichos. Además, las tasas de producción y los índices de ramificación de los canales observados coincidieron ampliamente con las predicciones del modelo estándar dentro de las incertidumbres experimentales. Sin embargo, las incertidumbres experimentales actuales todavía dejaban espacio para explicaciones alternativas, por lo que el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs habría sido prematuro. [125] Para permitir más oportunidades para la recopilación de datos, el cierre propuesto por el LHC para 2012 y la actualización para 2013-2014 se pospusieron siete semanas hasta 2013. [126]
En noviembre de 2012, en una conferencia en Kioto, investigadores dijeron que la evidencia reunida desde julio se alineaba más con el Modelo Estándar básico que con sus alternativas, con una variedad de resultados para varias interacciones que coincidían con las predicciones de esa teoría. [127] El físico Matt Strassler destacó evidencia "considerable" de que la nueva partícula no es una partícula pseudoescalar de paridad negativa (consistente con este hallazgo requerido para un bosón de Higgs), "evaporación" o falta de mayor importancia para indicios previos de un modelo no estándar. hallazgos, interacciones esperadas del Modelo Estándar con los bosones W y Z , ausencia de "nuevas implicaciones significativas" a favor o en contra de la supersimetría y, en general, no hay desviaciones significativas hasta la fecha de los resultados esperados de un bosón de Higgs del Modelo Estándar. [s] Sin embargo, algunos tipos de extensiones del modelo estándar también mostrarían resultados muy similares; [129] por lo que los comentaristas señalaron que, basándose en otras partículas que todavía se comprenden mucho después de su descubrimiento, puede llevar años estar seguros y décadas comprender completamente la partícula que se ha encontrado. [127] [s]
Estos hallazgos significaron que en enero de 2013, los científicos estaban muy seguros de haber encontrado una partícula desconocida de masa ~125 GeV/ c 2 y no había sido engañado por un error experimental o un resultado fortuito. También estaban seguros, a partir de las observaciones iniciales, de que la nueva partícula era algún tipo de bosón. Los comportamientos y propiedades de la partícula, examinados hasta ahora desde julio de 2012, también parecían bastante cercanos a los comportamientos esperados de un bosón de Higgs. Aun así, todavía podría haber sido un bosón de Higgs o algún otro bosón desconocido, ya que pruebas futuras podrían mostrar comportamientos que no coinciden con un bosón de Higgs, por lo que a diciembre de 2012 el CERN todavía sólo afirmaba que la nueva partícula era "consistente con" la Bosón de Higgs, [29] [31] y los científicos aún no han dicho categóricamente que se trate del bosón de Higgs. [130] A pesar de esto, a finales de 2012, informes generalizados de los medios anunciaron (incorrectamente) que se había confirmado un bosón de Higgs durante el año. [136]
En enero de 2013, el director general del CERN, Rolf-Dieter Heuer, afirmó que, basándose en el análisis de datos hasta la fecha, una respuesta podría ser posible "hacia" mediados de 2013, [137] y el vicepresidente de física del Laboratorio Nacional de Brookhaven afirmó en febrero de 2013. que una respuesta "definitiva" podría requerir "unos pocos años más" después del reinicio del colisionador en 2015 . [138] A principios de marzo de 2013, el director de investigación del CERN, Sergio Bertolucci, declaró que confirmar el espín-0 era el principal requisito restante para determinar si la partícula es al menos algún tipo de bosón de Higgs. [139]
El 14 de marzo de 2013, el CERN confirmó lo siguiente:
CMS y ATLAS han comparado varias opciones para la paridad de espín de esta partícula, y todas prefieren no tener espín e incluso tener paridad [dos criterios fundamentales de un bosón de Higgs consistentes con el modelo estándar]. Esto, junto con las interacciones medidas de la nueva partícula con otras partículas, indica claramente que se trata de un bosón de Higgs. [7]
Esto también convierte a la partícula en la primera partícula escalar elemental descubierta en la naturaleza. [32]
Los siguientes son ejemplos de pruebas utilizadas para confirmar que la partícula descubierta es el bosón de Higgs: [s] [13]
En julio de 2017, el CERN confirmó que todas las mediciones siguen coincidiendo con las predicciones del Modelo Estándar y llamó a la partícula descubierta simplemente "el bosón de Higgs". [34] A partir de 2019, el Gran Colisionador de Hadrones ha seguido produciendo hallazgos que confirman la comprensión de 2013 sobre el campo y la partícula de Higgs. [146] [147]
El trabajo experimental del LHC desde su reinicio en 2015 ha incluido sondear el campo de Higgs y el bosón con un mayor nivel de detalle, y confirmar si las predicciones menos comunes eran correctas. En particular, la exploración desde 2015 ha proporcionado pruebas sólidas de la desintegración directa prevista en fermiones como pares de quarks inferiores (3,6 σ), descrita como un "hito importante" para comprender su corta vida útil y otras desintegraciones raras, y también para confirmar la desintegración. en pares de leptones tau (5,9 σ). El CERN describió esto como "de suma importancia para establecer el acoplamiento del bosón de Higgs con los leptones y representa un paso importante hacia la medición de sus acoplamientos con los fermiones de tercera generación, las copias muy pesadas de los electrones y los quarks, cuyo papel en la naturaleza es un misterio profundo". [34] Los resultados publicados el 19 de marzo de 2018 a 13 TeV para ATLAS y CMS tenían sus mediciones de la masa de Higgs en124,98 ± 0,28 GeV/ c 2 y125,26 ± 0,21 GeV/ c 2 respectivamente.
En julio de 2018, los experimentos ATLAS y CMS informaron haber observado la desintegración del bosón de Higgs en un par de quarks inferiores, que representan aproximadamente el 60% de todas sus desintegraciones. [148] [149] [150]
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La invariancia de calibre es una propiedad importante de las teorías de partículas modernas, como el modelo estándar , en parte debido a su éxito en otras áreas de la física fundamental como el electromagnetismo y la interacción fuerte ( cromodinámica cuántica ). Sin embargo, antes de que Sheldon Glashow ampliara los modelos de unificación electrodébil en 1961, hubo grandes dificultades en el desarrollo de teorías de calibre para la fuerza nuclear débil o una posible interacción electrodébil unificada . Los fermiones con un término de masa violarían la simetría de calibre y, por lo tanto, no pueden ser invariantes de calibre. (Esto se puede ver al examinar el lagrangiano de Dirac para un fermión en términos de componentes diestros y zurdos; encontramos que ninguna de las partículas de medio espín podría cambiar la helicidad como se requiere para la masa, por lo que no deben tener masa. [t] ) Se observa que los bosones W y Z tienen masa, pero un término de masa de bosón contiene términos que dependen claramente de la elección del calibre y, por lo tanto, estas masas tampoco pueden ser invariantes de calibre. Por lo tanto, parece que ninguno de los fermiones o bosones del modelo estándar podría "comenzar" con la masa como una propiedad inherente excepto abandonando la invariancia de calibre. Si se mantuviera la invariancia de calibre, entonces estas partículas tenían que adquirir su masa mediante algún otro mecanismo o interacción.
Además, las soluciones basadas en la ruptura espontánea de la simetría parecieron fallar, aparentemente un resultado inevitable del teorema de Goldstone . Debido a que no existe un costo de energía potencial para moverse alrededor del "valle circular" del plano complejo responsable de la ruptura espontánea de la simetría, la excitación cuántica resultante es energía cinética pura y, por lo tanto, un bosón sin masa ("bosón de Goldstone"), lo que a su vez implica un nuevo fuerza de largo alcance. Pero tampoco se detectaron nuevas fuerzas de largo alcance ni partículas sin masa. Entonces, lo que sea que les diera masa a estas partículas no tenía que "romper" la invariancia de calibre como base para otras partes de las teorías en las que funcionaba bien, y no tenía que requerir ni predecir partículas sin masa inesperadas o fuerzas de largo alcance que en realidad no parecían serlo. existir en la naturaleza.
Una solución a todos estos problemas superpuestos provino del descubrimiento de un caso límite previamente inadvertido escondido en las matemáticas del teorema de Goldstone, [o] que bajo ciertas condiciones podría ser teóricamente posible romper una simetría sin alterar la invariancia de calibre y sin cualquier nueva partícula o fuerza sin masa, y tener resultados "sensibles" ( renormalizables ) matemáticamente. Esto llegó a ser conocido como el mecanismo de Higgs .
El modelo estándar plantea la hipótesis de un campo responsable de este efecto, llamado campo de Higgs (símbolo:) , que tiene la propiedad inusual de una amplitud distinta de cero en su estado fundamental ; es decir, un valor esperado de vacío distinto de cero . Puede tener este efecto debido a su potencial inusual en forma de "sombrero mexicano" cuyo "punto" más bajo no está en su "centro". En términos simples, a diferencia de todos los demás campos conocidos, el campo de Higgs requiere menos energía para tener un valor distinto de cero que un valor cero, por lo que termina teniendo un valor distinto de cero en todas partes . Por debajo de un cierto nivel de energía extremadamente alto, la existencia de esta expectativa de vacío distinto de cero rompe espontáneamente la simetría de calibre electrodébil , lo que a su vez da lugar al mecanismo de Higgs y desencadena la adquisición de masa por parte de las partículas que interactúan con el campo. Este efecto se produce porque los componentes del campo escalar del campo de Higgs son "absorbidos" por los bosones masivos como grados de libertad , y se acoplan a los fermiones mediante el acoplamiento de Yukawa , produciendo así los términos de masa esperados. Cuando la simetría se rompe en estas condiciones, los bosones de Goldstone que surgen interactúan con el campo de Higgs (y con otras partículas capaces de interactuar con el campo de Higgs) en lugar de convertirse en nuevas partículas sin masa. Los problemas intratables de ambas teorías subyacentes se "neutralizan" mutuamente, y el resultado residual es que las partículas elementales adquieren una masa consistente en función de la fuerza con la que interactúan con el campo de Higgs. Es el proceso más simple conocido capaz de dar masa a los bosones de calibre sin dejar de ser compatible con las teorías de calibre . [151] Su cuanto sería un bosón escalar , conocido como bosón de Higgs. [152]
El mecanismo de Higgs propuesto surgió como resultado de las teorías propuestas para explicar las observaciones en superconductividad . Un superconductor no permite la penetración de campos magnéticos externos (el efecto Meissner ). Esta extraña observación implica que de alguna manera, el campo electromagnético se vuelve de corto alcance durante este fenómeno. Surgieron teorías exitosas para explicar esto durante la década de 1950, primero para los fermiones ( teoría de Ginzburg-Landau , 1950) y luego para los bosones ( teoría BCS , 1957).
En estas teorías, se interpreta que la superconductividad surge de un campo de condensado cargado . Inicialmente, el valor del condensado no tiene ninguna dirección preferida, lo que implica que es escalar, pero su fase es capaz de definir un calibre, en las teorías de campo basadas en calibres. Para hacer esto, el campo debe estar cargado. Un campo escalar cargado también debe ser complejo (o descrito de otra manera, contiene al menos dos componentes y una simetría capaz de rotar cada uno en el otro). En la ingenua teoría de calibre, una transformación de calibre de un condensado generalmente hace girar la fase. Pero en estas circunstancias, fija una elección de fase preferida. Sin embargo, resulta que fijar el calibre elegido para que el condensado tenga la misma fase en todas partes también hace que el campo electromagnético gane un término extra. Este término adicional hace que el campo electromagnético se vuelva de corto alcance.
Una vez que se llamó la atención sobre esta teoría dentro de la física de partículas, los paralelos quedaron claros. Un cambio del campo electromagnético normalmente de largo alcance para convertirlo en un campo electromagnético de corto alcance, dentro de una teoría de invariante de calibre, era exactamente el efecto necesario buscado para los bosones de fuerza débiles (porque una fuerza de largo alcance tiene bosones calibre sin masa, y una fuerza de corto alcance implica bosones calibre masivos). bosones, lo que sugiere que un resultado de esta interacción es que los bosones de calibre del campo adquirieron masa, o un efecto similar y equivalente). Las características de un campo requerido para hacer esto también estaban bastante bien definidas: tendría que ser un campo escalar cargado, con al menos dos componentes, y complejo para soportar una simetría capaz de girarlos entre sí. [tú]
El modelo estándar mínimo descrito anteriormente es el modelo más simple conocido para el mecanismo de Higgs con un solo campo de Higgs. Sin embargo, también es posible un sector de Higgs extendido con dobletes o tripletes de partículas de Higgs adicionales, y muchas extensiones del modelo estándar tienen esta característica. El sector de Higgs no mínimo favorecido por la teoría son los modelos de dos dobletes de Higgs (2HDM), que predicen la existencia de un quinteto de partículas escalares: dos bosones de Higgs h 0 y H 0 neutros pares CP , un neutro impar CP Bosón de Higgs A 0 y dos partículas de Higgs cargadas H ± . La supersimetría ("SUSY") también predice las relaciones entre las masas del bosón de Higgs y las masas de los bosones de calibre, y podría acomodar una125 GeV/ c 2 bosón de Higgs neutro.
El método clave para distinguir entre estos diferentes modelos implica el estudio de las interacciones de las partículas ("acoplamiento") y los procesos de desintegración exactos ("proporciones de ramificación"), que pueden medirse y probarse experimentalmente en colisiones de partículas. En el modelo 2HDM Tipo I, un doblete de Higgs se acopla a quarks arriba y abajo, mientras que el segundo doblete no se acopla a quarks. Este modelo tiene dos límites interesantes, en los que el Higgs más ligero se acopla sólo a fermiones ("gaugephobic " ) o simplemente a bosones de galga ("fermiofóbicos"), pero no a ambos. En el modelo 2HDM Tipo II, un doblete de Higgs sólo se acopla a quarks de tipo arriba, y el otro sólo se acopla a quarks de tipo abajo. [153] El Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo (MSSM), muy investigado, incluye un sector de Higgs 2HDM Tipo II, por lo que podría ser refutado por la evidencia de un Higgs 2HDM Tipo I. [ cita necesaria ]
En otros modelos, el escalar de Higgs es una partícula compuesta. Por ejemplo, en tecnicolor el papel del campo de Higgs lo desempeñan pares de fermiones fuertemente unidos llamados tecniquarks . Otros modelos presentan pares de quarks top (ver condensado de quarks top ). En otros modelos no existe ningún campo de Higgs y la simetría electrodébil se rompe mediante dimensiones adicionales. [154] [155]
El modelo estándar deja la masa del bosón de Higgs como un parámetro a medir, en lugar de un valor a calcular. Esto se considera teóricamente insatisfactorio, especialmente porque las correcciones cuánticas (relacionadas con las interacciones con partículas virtuales ) aparentemente deberían hacer que la partícula de Higgs tenga una masa inmensamente mayor que la observada, pero al mismo tiempo el modelo estándar requiere una masa del orden de 100 a 1000 GeV/ c 2 para asegurar la unitaridad (en este caso, para unitarizar la dispersión de bosones vectoriales longitudinales). [156] Conciliar estos puntos parece requerir explicar por qué hay una cancelación casi perfecta que resulta en la masa visible de ~ 125 GeV/ c 2 y no está claro cómo hacerlo. Debido a que la fuerza débil es aproximadamente 10 32 veces más fuerte que la gravedad y (vinculado a esto) la masa del bosón de Higgs es mucho menor que la masa de Planck o la gran energía de unificación , parece que hay alguna conexión subyacente o razón para estas observaciones desconocidas y no descritas por el modelo estándar, o algún ajuste de parámetros inexplicable y extremadamente preciso; sin embargo, en la actualidad ninguna de estas explicaciones está probada. Esto se conoce como problema de jerarquía . [157] En términos más generales, el problema de la jerarquía equivale a la preocupación de que una futura teoría de las partículas e interacciones fundamentales no debería tener ajustes excesivos ni cancelaciones excesivamente delicadas, y debería permitir que masas de partículas como el bosón de Higgs sean calculables. El problema es, en cierto modo, exclusivo de las partículas de espín 0 (como el bosón de Higgs), lo que puede dar lugar a problemas relacionados con las correcciones cuánticas que no afectan a las partículas con espín. [156] Se han propuesto varias soluciones , incluida la supersimetría , soluciones conformes y soluciones a través de dimensiones adicionales, como los modelos braneworld .
También hay cuestiones de trivialidad cuántica , lo que sugiere que puede que no sea posible crear una teoría cuántica de campos consistente que involucre partículas escalares elementales. [158] Sin embargo, si se evita la trivialidad cuántica, las restricciones de trivialidad pueden establecer límites a la masa del bosón de Higgs.
En el modelo estándar, el campo de Higgs es un campo taquiónico escalar: escalar significa que no se transforma bajo las transformaciones de Lorentz , y taquiónico significa que el campo (pero no la partícula) tiene una masa imaginaria y, en ciertas configuraciones, debe sufrir una ruptura de simetría . Consta de cuatro componentes: dos campos neutros y dos componentes cargados . Tanto los componentes cargados como uno de los campos neutros son bosones de Goldstone , que actúan como componentes longitudinales de tercera polarización de los bosones masivos W + , W- y Z. El cuanto del componente neutro restante corresponde (y teóricamente se realiza como) el masivo bosón de Higgs. [159] Este componente puede interactuar con fermiones a través del acoplamiento Yukawa para darles masa también.
Matemáticamente, el campo de Higgs tiene una masa imaginaria y, por tanto, es un campo taquiónico . [v] Si bien los taquiones ( partículas que se mueven más rápido que la luz ) son un concepto puramente hipotético, los campos con masa imaginaria han llegado a desempeñar un papel importante en la física moderna. [161] [162] Bajo ninguna circunstancia las excitaciones se propagan más rápido que la luz en tales teorías: la presencia o ausencia de una masa taquiónica no tiene ningún efecto sobre la velocidad máxima de las señales (no hay violación de la causalidad ). [163] En lugar de partículas más rápidas que la luz, la masa imaginaria crea una inestabilidad: cualquier configuración en la que una o más excitaciones de campo sean taquiónicas debe decaer espontáneamente, y la configuración resultante no contiene taquiones físicos. Este proceso se conoce como condensación de taquiones y ahora se cree que es la explicación de cómo surge el mecanismo de Higgs en la naturaleza y, por lo tanto, la razón detrás de la ruptura de la simetría electrodébil.
Aunque la noción de masa imaginaria pueda parecer preocupante, lo único que se cuantifica es el campo, y no la masa misma. Por lo tanto, los operadores de campo en puntos separados en forma espacial todavía conmutan (o anticonmutan) , y la información y las partículas aún no se propagan más rápido que la luz. [164] La condensación de taquiones impulsa un sistema físico que ha alcanzado un límite local (y del que ingenuamente podría esperarse que produzca taquiones físicos) a un estado estable alternativo en el que no existen taquiones físicos. Una vez que un campo taquiónico como el campo de Higgs alcanza el mínimo de potencial, sus cuantos ya no son taquiones sino partículas ordinarias como el bosón de Higgs. [165]
Como el campo de Higgs es escalar , el bosón de Higgs no tiene espín . El bosón de Higgs también es su propia antipartícula , es par CP y tiene carga eléctrica y de color cero . [166]
El modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs. [167] Si esa masa está entre115 y 180 GeV/ c 2 (consistente con observaciones empíricas de125 GeV/ c 2 ), entonces el modelo estándar puede ser válido en escalas de energía hasta la escala de Planck (10 19 GeV/ c 2 ). [168] Debería ser la única partícula en el modelo estándar que permanece masiva incluso a altas energías. Muchos teóricos esperan que surja nueva física más allá del Modelo Estándar en la escala TeV, basada en propiedades insatisfactorias del Modelo Estándar. [169] La escala de masa más alta posible permitida para el bosón de Higgs (o algún otro mecanismo de ruptura de simetría electrodébil) es 1,4 TeV; más allá de este punto, el modelo estándar se vuelve inconsistente sin tal mecanismo, porque la unitaridad se viola en ciertos procesos de dispersión. [170]
También es posible, aunque experimentalmente difícil, estimar indirectamente la masa del bosón de Higgs: en el modelo estándar, el bosón de Higgs tiene varios efectos indirectos; En particular, los bucles de Higgs dan como resultado pequeñas correcciones en las masas de los bosones W y Z. Se pueden utilizar mediciones de precisión de parámetros electrodébiles, como la constante de Fermi y las masas de los bosones W y Z, para calcular las restricciones a la masa del Higgs. En julio de 2011, las mediciones electrodébiles de precisión nos dicen que es probable que la masa del bosón de Higgs sea menor que aproximadamente161 GeV/ c 2 con un nivel de confianza del 95 % . [w] Estas restricciones indirectas se basan en el supuesto de que el modelo estándar es correcto. Todavía es posible descubrir un bosón de Higgs por encima de estas masas, si va acompañado de otras partículas más allá de las acomodadas por el modelo estándar. [172]
El LHC no puede medir directamente la vida útil del bosón de Higgs debido a su extrema brevedad. Se predice como1,56 × 10 −22 s según el ancho de caída previsto de4,07 × 10 −3 GeV . [2] Sin embargo, se puede medir indirectamente, basándose en la comparación de masas medidas a partir de fenómenos cuánticos que ocurren en las vías de producción en la capa y en las vías de producción fuera de la capa , mucho más raras , derivadas de la desintegración de Dalitz a través de un fotón virtual (H→γ* γ→ℓℓγ) . Utilizando esta técnica, la vida útil del bosón de Higgs se midió tentativamente en 2021 como 1,2 - 4,6 x 10 −22 s , con una significación de sigma 3,2 (1 en 1000). [3] [4]
Si las teorías de las partículas de Higgs son válidas, entonces una partícula de Higgs se puede producir de manera muy similar a otras partículas que se estudian, en un colisionador de partículas . Esto implica acelerar una gran cantidad de partículas a energías extremadamente altas y extremadamente cercanas a la velocidad de la luz , para luego permitir que se estrellen entre sí. En el LHC se utilizan protones e iones de plomo (los núcleos desnudos de los átomos de plomo). En las energías extremas de estas colisiones, ocasionalmente se producirán las deseadas partículas esotéricas y esto podrá ser detectado y estudiado; cualquier ausencia o diferencia con respecto a las expectativas teóricas también se puede utilizar para mejorar la teoría. La teoría de partículas relevante (en este caso el modelo estándar) determinará los tipos necesarios de colisiones y detectores. El modelo estándar predice que los bosones de Higgs podrían formarse de varias maneras, [93] [173] [174] aunque siempre se espera que la probabilidad de producir un bosón de Higgs en cualquier colisión sea muy pequeña; por ejemplo, solo un bosón de Higgs bosón por cada 10 mil millones de colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones. [q] Los procesos esperados más comunes para la producción del bosón de Higgs son:
La mecánica cuántica predice que si es posible que una partícula se descomponga en un conjunto de partículas más ligeras, eventualmente lo hará. [175] Esto también es válido para el bosón de Higgs. La probabilidad de que esto suceda depende de una variedad de factores que incluyen: la diferencia de masa, la fuerza de las interacciones, etc. La mayoría de estos factores están fijados por el modelo estándar, excepto la masa del propio bosón de Higgs. Para un bosón de Higgs con una masa de125 GeV/ c 2 el SM predice una vida media de aproximadamente1,6 × 10 −22 s . [b]
Dado que interactúa con todas las partículas elementales masivas del SM, el bosón de Higgs tiene muchos procesos diferentes mediante los cuales puede desintegrarse. Cada uno de estos posibles procesos tiene su propia probabilidad, expresada como relación de ramificación ; la fracción del número total decae que sigue ese proceso. El SM predice estas relaciones de ramificación en función de la masa de Higgs (ver gráfico).
Una forma en que el Higgs puede desintegrarse es dividiéndose en un par fermión-antifermión. Como regla general, es más probable que el Higgs se descomponga en fermiones pesados que en fermiones ligeros, porque la masa de un fermión es proporcional a la fuerza de su interacción con el Higgs. [125] Según esta lógica, la desintegración más común debería ser en un par de quarks top -antitop. Sin embargo, tal desintegración sólo sería posible si el Higgs fuera más pesado que ~346 GeV/ c 2 , el doble de la masa del quark top. Para una masa de Higgs de125 GeV/ c 2 el SM predice que la desintegración más común es en un par de quarks fondo -antifondo, lo que ocurre el 57,7% de las veces. [2] La segunda desintegración de fermiones más común en esa masa es un par tau -antitau, que ocurre sólo alrededor del 6,3% del tiempo. [2]
Otra posibilidad es que el Higgs se divida en un par de bosones de calibre masivos. La posibilidad más probable es que el Higgs se desintegre en un par de bosones W (la línea azul claro en el gráfico), lo que ocurre aproximadamente el 21,5% del tiempo para un bosón de Higgs con una masa de125 GeV/ c2 . [2] Los bosones W pueden posteriormente desintegrarse en un quark y un antiquark o en un leptón cargado y un neutrino. Las desintegraciones de los bosones W en quarks son difíciles de distinguir del fondo, y las desintegraciones en leptones no pueden reconstruirse completamente (porque los neutrinos son imposibles de detectar en experimentos de colisión de partículas). Una señal más limpia se obtiene mediante la desintegración de un par de bosones Z (lo que ocurre aproximadamente el 2,6% del tiempo para un Higgs con una masa de125 GeV/ c 2 ), [2] si cada uno de los bosones posteriormente se desintegra en un par de leptones cargados fáciles de detectar ( electrones o muones ).
La desintegración en bosones de calibre sin masa (es decir, gluones o fotones ) también es posible, pero requiere un bucle intermedio de quarks pesados virtuales (superiores o inferiores) o bosones de calibre masivos. [125] El proceso más común de este tipo es la desintegración en un par de gluones a través de un bucle de quarks pesados virtuales. Este proceso, que es el inverso del proceso de fusión de gluones mencionado anteriormente, ocurre aproximadamente el 8,6% del tiempo para un bosón de Higgs con una masa de125 GeV/ c2 . [2] Mucho más rara es la desintegración en un par de fotones mediada por un bucle de bosones W o quarks pesados, que ocurre sólo dos veces por cada mil desintegraciones. [2] Sin embargo, este proceso es muy relevante para las búsquedas experimentales del bosón de Higgs, porque la energía y el momento de los fotones se pueden medir con mucha precisión, lo que proporciona una reconstrucción precisa de la masa de la partícula en descomposición. [125]
En 2021, se observó provisionalmente la extremadamente rara desintegración de Dalitz, en dos leptones (electrones o muones) y un fotón (ℓℓγ), mediante una desintegración virtual de fotones . Esto puede suceder de tres maneras; Higgs a fotón virtual a ℓℓγ en el que el fotón virtual (γ*) tiene una masa muy pequeña pero distinta de cero, Higgs a bosón Z a ℓℓγ, o Higgs a dos leptones, uno de los cuales emite un fotón de estado final que conduce a ℓℓγ. ATLAS buscó evidencia del primero de estos (H→γ*γ→ℓℓγ) a baja masa de di-leptón (≤30 GeV/ c 2 ) , donde este proceso debería dominar. La observación tiene una significación de sigma 3,2 (1 en 1000). [3] [4] Esta ruta de desintegración es importante porque facilita la medición de la masa dentro y fuera del estante del bosón de Higgs (lo que permite la medición indirecta del tiempo de desintegración), y la desintegración en dos partículas cargadas permite la exploración de la conjugación de carga y la carga. violación de paridad (CP) . [4]
El nombre más fuertemente asociado con la partícula y el campo es bosón de Higgs [91] : 168 y campo de Higgs. Durante algún tiempo, la partícula fue conocida por una combinación de los nombres de sus autores PRL (incluido en ocasiones Anderson), por ejemplo, la partícula Brout-Englert-Higgs, la partícula Anderson-Higgs o la partícula Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-. Mecanismo de croquetas, [x] y estos todavía se usan a veces. [63] [178] Impulsado en parte por la cuestión del reconocimiento y un posible Premio Nobel compartido, [178] [179] el nombre más apropiado todavía fue ocasionalmente un tema de debate hasta 2013. [178] El propio Higgs prefiere llamar al partícula ya sea por una sigla de todos los involucrados, o "el bosón escalar", o "la llamada partícula de Higgs". [179]
Se ha escrito mucho sobre cómo llegó a utilizarse exclusivamente el nombre de Higgs. Se ofrecen dos explicaciones principales. La primera es que Higgs dio un paso que fue único, más claro o más explícito en su artículo al predecir y examinar formalmente la partícula. De los autores de los artículos de PRL, sólo el artículo de Higgs ofreció explícitamente como predicción que existiría una partícula masiva y calculó algunas de sus propiedades; [180] [91] : 167 fue, por tanto, "el primero en postular la existencia de una partícula masiva" según la Naturaleza . [178] El físico y autor Frank Close y el físico y bloguero Peter Woit comentan que el artículo de GHK también se completó después de que Higgs y Brout-Englert fueran enviados a Physical Review Letters , [181] [91] : 167 y que solo Higgs había llamó la atención sobre un bosón escalar masivo predicho , mientras que todos los demás se habían centrado en los bosones vectoriales masivos. [181] [91] : 154, 166, 175 De esta manera, la contribución de Higgs también proporcionó a los experimentalistas un "objetivo concreto" crucial necesario para probar la teoría. [182]
Sin embargo, en opinión de Higgs, Brout y Englert no mencionaron explícitamente el bosón ya que su existencia es claramente obvia en su trabajo, [68] : 6 mientras que según Guralnik el artículo de GHK era un análisis completo de todo el mecanismo de ruptura de simetría cuyo El rigor está ausente en los otros dos artículos y puede existir una partícula masiva en algunas soluciones. [92] : 9 El artículo de Higgs también proporcionó una declaración "especialmente aguda" del desafío y su solución según el historiador de la ciencia David Kaiser. [179]
La explicación alternativa es que el nombre se popularizó en la década de 1970 debido a su uso como taquigrafía conveniente o por un error al citar. Muchas cuentas ( incluida la propia de Higgs [68] : 7 ) atribuyen el nombre de "Higgs" al físico Benjamin Lee . [y] Lee fue un importante divulgador de la teoría en sus inicios y habitualmente adjuntaba el nombre "Higgs" como una "taquigrafía conveniente" para sus componentes desde 1972. [15] [178] [183] [184] [185 ] y en al menos un caso ya en 1966. [186] Aunque Lee aclaró en sus notas a pie de página que "'Higgs' es una abreviatura de Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert", [183] su uso de el término (y quizás también la cita errónea de Steven Weinberg del artículo de Higgs como el primero en su artículo fundamental de 1967 [91] [187] [186] ) significaba que alrededor de 1975-1976 otros también habían comenzado a usar el nombre "Higgs". exclusivamente como taquigrafía. [z] En 2012, el físico Frank Wilczek , a quien se le atribuye el nombre de la partícula elemental, el axión (en lugar de una propuesta alternativa "Higglet", de Weinberg), respaldó el nombre "bosón de Higgs", afirmando que "la historia es complicada, y dondequiera Si trazas la línea, habrá alguien justo debajo de ella". [179]
Al bosón de Higgs a menudo se le conoce como la "partícula de Dios" en los medios populares fuera de la comunidad científica. [188] [189] [190] [191] [192] El apodo proviene del título del libro de 1993 sobre el bosón de Higgs y la física de partículas, La partícula de Dios: si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta? por el premio Nobel de Física y director del Fermilab, Leon Lederman . [27] Lederman lo escribió en el contexto del fallido apoyo del gobierno de EE. UU. al Supercolisionador superconductor , [193] un titánico parcialmente construido [194] [195] competidor del Gran Colisionador de Hadrones con energías de colisión planificadas de 2 × 20 TeV que fue defendido por Lederman desde su inicio en 1983 [193] [aa] [196] [197] y cerrado en 1993. El libro buscaba en parte promover la conciencia sobre la importancia y la necesidad de tal proyecto frente a su posible pérdida de fondos. [198] Lederman, un destacado investigador en este campo, escribe que quería titular su libro La maldita partícula: Si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta? El editor de Lederman decidió que el título era demasiado controvertido y lo convenció de cambiarlo a La partícula divina: si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta? [199]
Si bien el uso de este término en los medios puede haber contribuido a una mayor conciencia e interés, [200] muchos científicos sienten que el nombre es inapropiado [15] [16] [201] ya que es una hipérbole sensacionalista y engaña a los lectores; [202] la partícula tampoco tiene nada que ver con ningún Dios , deja abiertas numerosas preguntas en física fundamental y no explica el origen último del universo . Se informó que Higgs , un ateo , estaba disgustado y declaró en una entrevista de 2008 que lo encontraba "vergonzoso" porque era "el tipo de uso indebido... que creo que podría ofender a algunas personas". [202] [203] [204] El apodo también ha sido satirizado en los principales medios de comunicación. [205] El escritor científico Ian Sample declaró en su libro de 2010 sobre la búsqueda que el apodo es "universalmente odiado" por los físicos y quizás el "peor ridiculizado" en la historia de la física , pero que (según Lederman) el editor rechazó todos los títulos que mencionaran "Higgs" por considerarlos poco imaginativos y demasiado desconocidos. [206]
Lederman comienza con un repaso de la larga búsqueda humana de conocimiento, y explica que su título irónico traza una analogía entre el impacto del campo de Higgs sobre las simetrías fundamentales en el Big Bang , y el aparente caos de estructuras, partículas , fuerzas e interacciones que resultaron y dieron forma a nuestro universo actual, con la historia bíblica de Babel en la que el idioma único primordial del Génesis temprano se fragmentó en muchos idiomas y culturas dispares. [207]
Hoy... tenemos el modelo estándar, que reduce toda la realidad a una docena de partículas y cuatro fuerzas... Es una simplicidad ganada con esfuerzo [... y...] notablemente precisa. Pero también es incompleto y, de hecho, internamente inconsistente... Este bosón es tan central para el estado actual de la física, tan crucial para nuestra comprensión final de la estructura de la materia, pero tan esquivo, que le he puesto un apodo. : la partícula de Dios. ¿Por qué la partícula divina? Dos razones. Uno, el editor no nos permitió llamarlo la Maldita Partícula, aunque ese podría ser un título más apropiado, dada su naturaleza malvada y el gasto que está causando. Y dos, hay una especie de conexión con otro libro , uno mucho más antiguo...
- - Lederman y Teresi [27] : 22
Lederman pregunta si el bosón de Higgs se añadió sólo para dejar perplejos y confundir a quienes buscan conocimiento del universo, y si los físicos se sentirán confundidos por él, como se relata en esa historia, o finalmente superarán el desafío y comprenderán "cuán hermoso es el universo [Dios ha ] hecho". [208]
En un concurso de cambio de nombre organizado por el periódico británico The Guardian en 2009, su corresponsal científico eligió el nombre "bosón de la botella de champán " como la mejor propuesta: "El fondo de una botella de champán tiene la forma del potencial de Higgs y se utiliza a menudo como ilustración en conferencias de física. Así que no es un nombre vergonzosamente grandioso, es memorable y también tiene alguna conexión con la física ". [209] El nombre Higgson también fue sugerido en un artículo de opinión en la publicación en línea www.physicsworld.com del Instituto de Física . [210]
Ha habido una considerable discusión pública sobre analogías y explicaciones para la partícula de Higgs y cómo el campo crea masa, [211] [212] incluida la cobertura de intentos explicativos por derecho propio y una competencia en 1993 por la mejor explicación popular por parte del entonces Reino Unido. Ministro de Ciencia Sir William Waldegrave [213] y artículos en periódicos de todo el mundo.
Una colaboración educativa que involucra a un físico del LHC y un educador de profesores de secundaria del CERN sugiere que la dispersión de la luz , responsable del arco iris y del prisma dispersivo , es una analogía útil para la ruptura de simetría del campo de Higgs y el efecto causante de masa. [214]
Matt Strassler utiliza los campos eléctricos como analogía: [215]
Algunas partículas interactúan con el campo de Higgs mientras que otras no. Aquellas partículas que sienten el campo de Higgs actúan como si tuvieran masa. Algo similar ocurre en un campo eléctrico : los objetos cargados son arrastrados y los objetos neutros pueden atravesarlos sin verse afectados. Así que puedes pensar en la búsqueda de Higgs como un intento de generar ondas en el campo de Higgs [ crear bosones de Higgs ] para demostrar que realmente está allí.
The Guardian ofreció una explicación similar : [216]
El bosón de Higgs es esencialmente una onda en un campo que se dice que surgió en el nacimiento del universo y que se extiende por el cosmos hasta el día de hoy... Sin embargo, la partícula es crucial: es la prueba irrefutable , la evidencia necesaria para demostrar la teoría. es correcto.
El efecto del campo de Higgs sobre las partículas fue descrito por el físico David Miller como algo similar a una sala llena de trabajadores de partidos políticos repartidos uniformemente por toda la sala: la multitud gravita hacia los personajes famosos y los frena, pero no frena a los demás. [ab] También llamó la atención sobre efectos bien conocidos en la física del estado sólido donde la masa efectiva de un electrón puede ser mucho mayor de lo habitual en presencia de una red cristalina. [217]
Las analogías basadas en efectos de arrastre , incluidas las analogías de " jarabe " o " melaza ", también son bien conocidas, pero pueden ser algo engañosas ya que pueden entenderse (incorrectamente) como si dijeran que el campo de Higgs simplemente resiste el movimiento de algunas partículas pero no el de otras. – un simple efecto resistivo también podría entrar en conflicto con la tercera ley de Newton . [219]
Antes de finales de 2013 hubo una discusión considerable sobre cómo asignar el crédito si se demuestra el bosón de Higgs, más claro ya que se esperaba un premio Nobel , y la base muy amplia de personas con derecho a ser considerada. Entre ellos se incluyen una serie de teóricos que hicieron posible la teoría del mecanismo de Higgs, los teóricos de los artículos del PRL de 1964 (incluido el propio Higgs), los teóricos que derivaron de ellos una teoría electrodébil funcional y el propio modelo estándar, y también los experimentalistas del CERN y otras instituciones que hicieron posible la prueba del campo y del bosón de Higgs en la realidad. El premio Nobel tiene un límite de tres personas para compartir premio, y algunos posibles ganadores ya son premiados por otros trabajos, o han fallecido (el premio sólo se otorga a personas en vida). Los premios existentes para trabajos relacionados con el campo, bosón o mecanismo de Higgs incluyen:
El coinvestigador de Englert, Robert Brout, había muerto en 2011 y el Premio Nobel normalmente no se otorga de forma póstuma . [224]
Además, la revisión de 50 años de Physical Review Letters (2008) reconoció los artículos de ruptura de simetría PRL de 1964 y el artículo de Weinberg de 1967 Un modelo de leptones (el artículo más citado en física de partículas, a partir de 2012) "Cartas de hitos". [86]
Tras la observación de la partícula similar a Higgs en julio de 2012, varios medios de comunicación indios informaron sobre la supuesta negligencia del crédito al físico indio Satyendra Nath Bose, cuyo trabajo en la década de 1920 lleva el nombre de la clase de partículas " bosones " [225] [226 ] (aunque los físicos han descrito la conexión de Bose con el descubrimiento como tenue). [227]
En el modelo estándar, el campo de Higgs es un campo escalar de cuatro componentes que forma un doblete complejo de la simetría débil isospin SU(2):
mientras el campo tiene carga +1/2bajo la simetría U (1) de hipercarga débil . [228]
Nota : Este artículo utiliza la convención de escala donde la carga eléctrica, Q , el isospin débil , T 3 , y la hipercarga débil, Y W , están relacionados por Q = T 3 + Y W. Una convención diferente utilizada en la mayoría de los demás artículos de Wikipedia es Q = T 3 +1/2Y W. _ [229] [230] [231]
La parte de Higgs del lagrangiano es [228]
donde y son los bosones de calibre de las simetrías SU(2) y U(1), y sus respectivas constantes de acoplamiento , son las matrices de Pauli (un conjunto completo de generadores de la simetría SU(2)), y y , de modo que los El estado fundamental rompe la simetría SU (2) (ver figura).
El estado fundamental del campo de Higgs (el fondo del potencial) se degenera con diferentes estados fundamentales relacionados entre sí mediante una transformación de calibre SU(2). Siempre es posible elegir un calibre en el estado fundamental . El valor esperado de en el estado fundamental (el valor esperado de vacío o VEV) es entonces , donde . El valor medido de este parámetro es ~246 GeV/ c2 . [125] Tiene unidades de masa y es el único parámetro libre del modelo estándar que no es un número adimensional. Surgen términos cuadráticos en y , que dan masas a los bosones W y Z: [228]
con su relación determinando el ángulo de Weinberg , y dejar un fotón U(1) sin masa ,. La masa del bosón de Higgs está dada por
Los quarks y los leptones interactúan con el campo de Higgs mediante términos de interacción de Yukawa :
donde están los quarks y leptones zurdos y diestros de la i -ésima generación , son matrices de acoplamientos de Yukawa donde hc denota el conjugado hermitiano de todos los términos anteriores. En el estado fundamental de ruptura de simetría, sólo quedan los términos que contienen , dando lugar a términos de masa para los fermiones. Al rotar los campos de quarks y leptones hasta la base donde las matrices de los acoplamientos de Yukawa son diagonales, se obtiene
donde las masas de los fermiones son y denotan los valores propios de las matrices de Yukawa. [228]
Bernstein (1974) contiene una reseña y antecedentes accesibles y completos de esta área; ver enlaces externos.la condición de "medidor de radiación" ∇⋅A( x ) = 0 claramente no es covariante, lo que significa que si deseamos mantener la transversalidad del fotón en todos los fotogramas de Lorentz, el campo de fotones A μ ( x ) no puede transformarse como un cuatro- vector . Esto no es una catástrofe, ya que el campo de fotones no es observable y se puede demostrar fácilmente que los elementos de la matriz S, que son observables, tienen estructuras covariantes. ... en las teorías de calibre uno podría organizar las cosas de modo que tuviera una ruptura de simetría debido a la no invariancia del vacío; pero, debido a que Goldstone et al. la prueba se desmorona, no es necesario que aparezcan los mesones Goldstone de masa cero. [ énfasis en el original ]
[P] ¿Por qué los físicos de partículas se preocupan tanto por la partícula de Higgs?
[R] Bueno, en realidad no es así. Lo que realmente les importa es el
campo
de Higgs , porque es
muy
importante. [énfasis en el original]
El campo de Higgs: tan importante que merecía una instalación experimental completa, el Gran Colisionador de Hadrones, dedicada a comprenderlo.
En términos normalmente reservados para los logros deportivos, los informes periodísticos describieron el hallazgo como un hito monumental en la historia de la ciencia.
Incluso en los círculos más especializados, la nueva partícula descubierta en julio aún no recibe el nombre de "bosón de Higgs". Los físicos todavía dudan en llamarlo así antes de haber determinado que sus propiedades coinciden con las que la teoría de Higgs predice que tiene el bosón de Higgs.
"Nunca hemos visto una partícula elemental con espín cero", afirmó Tony Weidberg, físico de partículas de la Universidad de Oxford, que también participa en los experimentos del CERN.
Es probable que la Tierra desaparezca mucho antes de que las partículas del bosón de Higgs desencadenen un asalto apocalíptico contra el universo.
[L]a mala noticia es que su masa sugiere que el universo terminará en una burbuja fatalista de rápida expansión. ¿Las buenas noticias? Probablemente serán decenas de miles de millones de años.El artículo cita a Joseph Lykken del Fermilab : "[L]os parámetros de nuestro universo, incluido el Higgs [y las masas del quark top], sugieren que estamos justo al borde de la estabilidad, en un estado "metaestable". Los físicos han estado contemplando tal posibilidad durante más de 30 años. Allá por 1982, los físicos Michael Turner y Frank Wilczek escribieron en Nature que "sin previo aviso, una burbuja de verdadero vacío podría nuclearse en algún lugar del universo y moverse hacia afuera..."
[L]a influencia de Higgs (o la influencia de algo parecido) podría llegar mucho más lejos. Por ejemplo, algo como el Higgs (si no exactamente el Higgs en sí) puede estar también detrás de muchas otras "simetrías rotas" inexplicables en el universo... De hecho, algo muy parecido al Higgs puede haber estado detrás del colapso del Higgs. simetría que condujo al Big Bang, que creó el universo. Cuando las fuerzas comenzaron a separarse de su semejanza primordial, adoptando los caracteres distintos que tienen hoy, liberaron energía de la misma manera que el agua libera energía cuando se convierte en hielo. Excepto que en este caso, la congelación reunió suficiente energía para hacer estallar el universo. ... Sea como fuere, la moraleja es clara: sólo cuando la perfección se hace añicos puede nacer todo lo demás.
Gilbert... escribió una respuesta [al artículo de Klein y Lee] diciendo: 'No, no se puede hacer eso en una teoría relativista'. No se puede tener un vector unitario de tiempo preferido como ese.' Aquí es donde entré yo, porque el mes siguiente fue cuando respondí al artículo de Gilbert diciendo: "Sí, puedes tener tal cosa", pero sólo en una teoría de calibre con un campo de calibre acoplado a la corriente.
Sidney Coleman publicó en la revista Science en 1979 una búsqueda de citas que hizo documentando que esencialmente nadie prestó atención al artículo ganador del Premio Nobel de Weinberg hasta el trabajo de 't Hooft (como lo explicó Ben Lee). En 1971 se disparó el interés por el artículo de Weinberg. Tuve una experiencia personal paralela: tomé un curso de un año sobre interacciones débiles con Shelly Glashow en 1970, y él ni siquiera mencionó el modelo Weinberg-Salam ni sus propias contribuciones.
[Una] colaboración global de más de 170 centros de computación en 36 países... para almacenar, distribuir y analizar los ~25 Petabytes (25 millones de Gigabytes) de datos generados anualmente por el Gran Colisionador de Hadrones.
Ahora conecta miles de computadoras y sistemas de almacenamiento en más de 170 centros en 41 países. ... La WLCG es la red informática más grande del mundo.
{{cite arXiv}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)la significación estadística no es lo suficientemente grande como para decir algo concluyente. A día de hoy, lo que vemos es consistente con una fluctuación de fondo o con la presencia del bosón. Los análisis refinados y los datos adicionales proporcionados en 2012 por esta magnífica máquina definitivamente darán una respuesta.
Por primera vez, los científicos han podido analizar la dinámica de las redes sociales a escala global antes, durante y después del anuncio de un descubrimiento científico importante.
Rolf Heuer, director del CERN, dijo que confía en que "hacia mediados de año estaremos allí".
– Entrevista realizada por AP, en el Foro Económico Mundial, 26 de enero de 2013.
"Se necesitarán algunos años más" después de que se reinicie el colisionador para confirmar definitivamente que la partícula recién descubierta es el bosón de Higgs.
citando la presentación de Lee en ICHEP 1972 en Fermilab: "... que se conoce como el mecanismo de Higgs ..." y "la locución de Lee", su explicación a pie de página de esta taquigrafía.
Lee... aparentemente usó el término 'bosón de Higgs' ya en 1966... pero lo que puede haber hecho que el término se mantenga es un artículo fundamental de Steven Weinberg... publicado en 1967... Weinberg reconoció la confusión en un ensayo en la
New York Review of Books
en mayo de 2012.
(Ver también el artículo original en
El SSC, propuesto por el Departamento de Energía de Estados Unidos en 1983, es un proyecto alucinante... este laboratorio gigantesco... este proyecto titánico
... este complejo titánico ...
Lederman, que se considera un propagandista no oficial del supercolisionador, dijo que el SSC podría revertir la fuga de cerebros en física en la que jóvenes y brillantes físicos han abandonado Estados Unidos para trabajar en Europa y otros lugares.
Lederman, uno de los principales portavoces del SSC, era un experimentado experimentador de alta energía que había hecho contribuciones que le valieron el Premio Nobel al desarrollo del Modelo Estándar durante la década de 1960 (aunque el premio en sí no llegó hasta 1988). Fue un habitual en las audiencias del Congreso sobre el colisionador, un defensor desenfrenado de sus méritos.
La posibilidad de que la próxima gran máquina creara el Higgs se convirtió en una zanahoria para exhibir frente a las agencias de financiación y los políticos. Un destacado físico estadounidense, Leon Lederman [sic] , anunció el Higgs como La Partícula Divina en el título de un libro publicado en 1993... Lederman participó en una campaña para persuadir al gobierno de los EE. UU. de que continuara financiando el Supercolisionador superconductor. La tinta del libro de Lederman aún no se había secado antes de que el Congreso de Estados Unidos decidiera cancelar los miles de millones de dólares ya gastados.
Consideremos el universo primitivo: un estado de nada pura y perfecta; una niebla informe de materia indiferenciada... 'simetría perfecta'... ¿Qué destrozó esta perfección primordial? Un probable culpable es el llamado campo de Higgs... El físico Leon Lederman compara la forma en que opera el Higgs con la historia bíblica de Babel [cuyos ciudadanos] hablaban todos el mismo idioma... Como Dios, dice Lederman, el Higgs diferenciaba los igualdad perfecta, confundiendo a todos (incluidos los físicos)... [Richard, ganador del Premio Nobel]
Feynman
se preguntó por qué el universo en el que vivimos estaba tan obviamente torcido... Quizás, especuló, la perfección total habría sido inaceptable para Dios. Y así, así como Dios hizo añicos la perfección de Babel, "Dios hizo las leyes sólo casi simétricas".
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