Los artículos sobre ruptura de simetría del PRL de 1964 fueron escritos por tres equipos que propusieron enfoques relacionados pero diferentes para explicar cómo podría surgir la masa en las teorías de calibre local . Estos tres artículos fueron escritos por: Robert Brout y François Englert ; [1] [2] Peter Higgs ; [3] y Gerald Guralnik , C. Richard Hagen y Tom Kibble (GHK). [4] [5] Se les atribuye la teoría del mecanismo de Higgs y la predicción del campo de Higgs y del bosón de Higgs . En conjunto, estos proporcionan un medio teórico mediante el cual se puede evitar el teorema de Goldstone (una limitación problemática que afecta a las primeras teorías modernas de la física de partículas ). Demostraron cómo los bosones de calibre pueden adquirir masas distintas de cero como resultado de una ruptura espontánea de la simetría dentro de modelos invariantes de calibre del universo. [6]
Como tales, forman el elemento clave de la teoría electrodébil que forma parte del Modelo Estándar de física de partículas , y de muchos modelos, como la Gran Teoría Unificada , que van más allá. Los artículos que presentan este mecanismo se publicaron en Physical Review Letters ( PRL ) y cada uno de ellos fue reconocido como artículo histórico en la celebración del 50 aniversario de PRL . [7] Los seis físicos recibieron el Premio JJ Sakurai 2010 de Física Teórica de Partículas por este trabajo; [8] Brout, Englert y Higgs recibieron el Premio Wolf de Física en 2004 ; [9] y en 2013 Englert y Higgs recibieron el Premio Nobel de Física . [10]
El 4 de julio de 2012, los dos experimentos principales llevados a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones ( ATLAS y CMS ) del CERN confirmaron de forma independiente la existencia de una partícula previamente desconocida con una masa de aproximadamente125 GeV/ c 2 (alrededor de 133 masas de protones, del orden de 10 −25 kg), que es "consistente con el bosón de Higgs" y se cree ampliamente que es el bosón de Higgs. [11]
Una teoría de calibre de partículas elementales es un marco potencial muy atractivo para construir la Gran Teoría Unificada de la física. Una teoría así tiene la propiedad muy deseable de ser potencialmente renormalizable (una abreviatura de decir que todos los infinitos de cálculo encontrados pueden ser absorbidos consistentemente en unos pocos parámetros de la teoría). Sin embargo, tan pronto como se da masa a los campos de calibre, se pierde la renormalización y la teoría se vuelve inútil. La ruptura espontánea de la simetría es un mecanismo prometedor que podría utilizarse para dar masa a las partículas calibre vectoriales. Sin embargo, una dificultad importante que encontramos es el teorema de Goldstone , que establece que en cualquier teoría cuántica de campos que tenga una simetría espontáneamente rota, debe aparecer una partícula de masa cero. Entonces surge el problema: ¿cómo se puede romper una simetría y al mismo tiempo no introducir partículas de masa cero no deseadas? La resolución de este dilema radica en la observación de que en el caso de las teorías de calibre, el teorema de Goldstone puede evitarse trabajando en el llamado calibre de radiación . Esto se debe a que la prueba del teorema de Goldstone requiere una covarianza manifiesta de Lorentz , una propiedad que no posee el medidor de radiación.
Los físicos de partículas estudian la materia formada por partículas fundamentales cuyas interacciones están mediadas por partículas de intercambio conocidas 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 . [ cita necesaria ] Sin embargo, se sabía que los intentos de unificar fuerzas fundamentales conocidas , como la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil, estaban incompletos. Una omisión conocida fue 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. [12] El teorema de Goldstone, relacionado con las simetrías continuas dentro de algunas teorías, también parecía descartar muchas soluciones obvias, [13] ya que parecía mostrar que también tendrían que existir partículas de masa cero que "simplemente no se vieran". [14] Según Gerald Guralnik , los físicos "no entendían" cómo podrían superarse estos problemas en 1964. [14] En 2014, Guralnik y Carl Hagen escribieron un artículo que sostenía que incluso después de 50 años todavía hay malentendidos generalizados, por físicos y el Comité Nobel , del papel del bosón de Goldstone . [15] Este artículo, publicado en Modern Physics Letters A , resultó ser el último trabajo publicado de Guralnik. [dieciséis]
El físico de partículas y matemático Peter Woit resumió el estado de la investigación en ese momento:
El mecanismo de Higgs es un proceso mediante el cual los bosones vectoriales pueden obtener masa en reposo sin romper explícitamente la invariancia de calibre , como subproducto de la ruptura espontánea de la simetría. [6] [17] La teoría matemática detrás de la ruptura espontánea de simetría fue concebida y publicada inicialmente dentro de la física de partículas por Yoichiro Nambu en 1960, [18] originalmente se sugirió el concepto de que tal mecanismo podría ofrecer una posible solución para el "problema de masas". en 1962 por Philip Anderson, [19] : 4–5 [20] y Abraham Klein y Benjamin Lee demostraron en marzo de 1964 que el teorema de Goldstone podría evitarse de esta manera al menos en algunos casos no relativistas y especularon que podría ser posible en casos verdaderamente Casos relativistas. [21]
Estos enfoques fueron rápidamente desarrollados hasta convertirse en un modelo relativista completo , de forma independiente y casi simultánea, por tres grupos de físicos: por François Englert y Robert Brout en agosto de 1964; [1] por Peter Higgs en octubre de 1964; [3] y por Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble (GHK) en noviembre de 1964. [4] Higgs también escribió una respuesta publicada en septiembre de 1964 a una objeción de Walter Gilbert , [6] [22] que demostraba que si Al calcular dentro del medidor de radiación, el teorema de Goldstone y la objeción de Gilbert se volverían inaplicables. [Nota 1] (Higgs describió más tarde la objeción de Gilbert como motivo de su propio artículo. [23] ) Las propiedades del modelo fueron consideradas más a fondo por Guralnik en 1965, [24] por Higgs en 1966, [25] por Kibble en 1967, [26 ] y posteriormente por GHK en 1967. [27] Los tres artículos originales de 1964 demostraron que cuando una teoría de calibre se combina con un campo adicional que rompe espontáneamente la simetría, los bosones de calibre pueden adquirir consistentemente una masa finita. [6] [17] [28] En 1967, Steven Weinberg [29] y Abdus Salam [30] 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. [31] (en sí mismo una extensión del trabajo de Julian 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. [32] [Nota 2]
Sin embargo, los artículos fundamentales sobre la ruptura espontánea de las simetrías de calibre fueron al principio ignorados en gran medida, porque se creía ampliamente que las teorías (de calibre no abelianas) en cuestión eran un callejón sin salida y, en particular, que no podían volver a normalizarse . En 1971-1972, Martinus J, G, 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. [32] Su contribución, y el trabajo de otros sobre el grupo de renormalización , fue eventualmente "enormemente profundo e influyente", [33] pero incluso con todos los elementos clave de la teoría final publicados, casi no hubo un interés más amplio. Por ejemplo, Sidney Coleman descubrió en un estudio que "prácticamente nadie prestó atención" al artículo de Weinberg antes de 1971 [34] – ahora el más citado en física de partículas [35] – e incluso en 1970, según David Politzer , el investigador de Glashow. La enseñanza de la interacción débil no contenía ninguna mención del trabajo de Weinberg, Salam o Glashow. [33] 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. [33] De esta manera, a partir de 1971, el interés y la aceptación "explotó" [33] y las ideas fueron rápidamente absorbidas por la corriente principal. [32] [33]
La mayoría de los estudiantes que han tomado un curso de electromagnetismo se han encontrado con el potencial de Coulomb . Básicamente afirma que dos partículas cargadas se atraen o repelen mediante una fuerza que varía según el inverso del cuadrado de su separación. Esto es bastante inequívoco para partículas en reposo, pero si una u otra sigue una trayectoria arbitraria, surge la pregunta de si se debe calcular la fuerza utilizando las posiciones instantáneas de las partículas o las llamadas posiciones retardadas . Este último reconoce que la información no puede propagarse instantáneamente, sino que se propaga a la velocidad de la luz . Sin embargo, el medidor de radiación dice que se utilizan las posiciones instantáneas de las partículas, pero no viola la causalidad porque hay términos compensadores en la ecuación de fuerza. Por el contrario, el indicador de Lorenz impone una covarianza manifiesta (y por tanto una causalidad) en todas las etapas de un cálculo. Las predicciones de cantidades observables son idénticas en los dos medidores, pero la formulación del medidor de radiación de la teoría cuántica de campos evita el teorema de Goldstone. [27]
Los tres artículos escritos en 1964 fueron reconocidos como artículos hitos durante la celebración del 50 aniversario de Physical Review Letters . [28] Sus seis autores también recibieron el Premio JJ Sakurai 2010 de Física Teórica de Partículas por este trabajo. [36] (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. [37] ) 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. [3] [4] 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 ]
Cada uno de estos artículos es único y demuestra diferentes enfoques para mostrar cómo surge la masa en las partículas calibre. Con el paso de los años, las diferencias entre estos artículos ya no se comprenden ampliamente, debido al paso del tiempo y a la aceptación de los resultados finales por parte de la comunidad de física de partículas . Un estudio de los índices de citas es interesante: más de 40 años después de la publicación de 1964 en Physical Review Letters, hay poco patrón perceptible de preferencia entre ellos, y la gran mayoría de los investigadores en el campo mencionan los tres artículos importantes. [ 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". [3] ( 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. [38] : 154, 166, 175 ) En el artículo de GHK, el bosón no tiene masa y está desacoplado de los estados masivos. [4] 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 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. [14] [5] [15] 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 alrededor de un supuesto estado de vacío que rompe la simetría, y GHK utilizó el formalismo del operador y las leyes de conservación para explorar en profundidad las formas en que el teorema de Goldstone falla explícitamente. [6]
Además de explicar cómo los bosones vectoriales adquieren masa, el mecanismo de Higgs también predice la relación entre las masas del bosón W y del bosón Z , así como sus acoplamientos entre sí y con los quarks y leptones del modelo estándar. [ cita necesaria ] Posteriormente, muchas de estas predicciones han sido verificadas mediante mediciones precisas realizadas en los colisionadores del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) y del Colisionador Lineal Standford (SLC), lo que confirma de manera abrumadora que algún tipo de mecanismo de Higgs tiene lugar en naturaleza, [39] pero aún no se ha descubierto la manera exacta en que sucede. [ cita necesaria ] Se espera que los resultados de la búsqueda del bosón de Higgs proporcionen evidencia sobre cómo se realiza esto en la naturaleza. [ cita necesaria ]
La teoría electrodébil y el modelo estándar resultantes han predicho correctamente (entre otros descubrimientos) corrientes neutras débiles , tres bosones, los quarks top y charm , y con gran precisión, la masa y otras propiedades de algunos de ellos. [Nota 3] Muchos de los involucrados finalmente ganaron premios Nobel u otros premios de renombre. Un artículo de 1974 en Reviews of Modern Physics comentó 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". [40] En 1986 y nuevamente en la década de 1990 se hizo posible escribir que comprender y demostrar el sector de Higgs del modelo estándar era "el problema central actual en la física de partículas". [41] [42]
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.
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: nombres numéricos: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )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.