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 en la teoría de la física de partículas . [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 a (interactúa con) la masa. [13] También es muy inestable y se desintegra en otras partículas casi inmediatamente después de su generación.
El campo de Higgs es un campo escalar con dos componentes neutros y dos eléctricamente cargados que forman un doblete complejo de la simetría isospín débil SU(2). Su " potencial de Sombrero " lo lleva a tomar un valor distinto de cero en todas partes (incluso en el espacio vacío), lo que rompe la simetría isospín débil de la interacción electrodébil y, a través del mecanismo de Higgs , da una masa en reposo a todas las partículas elementales masivas del Modelo Estándar, incluido el propio bosón de Higgs. La existencia del campo de Higgs se convirtió en la última parte no verificada del Modelo Estándar de la física de partículas, y durante varias décadas se consideró "el problema central de la física de partículas". [14] [15]
Tanto el campo como el bosón reciben su nombre del físico Peter Higgs , quien en 1964, junto con otros cinco científicos en tres equipos, propuso el mecanismo de Higgs , una forma en que algunas partículas adquirían masa . (Todas las partículas fundamentales conocidas en ese momento [c] deberían carecer de masa a energías muy altas, pero explicar por completo cómo algunas partículas ganan masa a energías más bajas había sido extremadamente difícil). Si estas ideas eran correctas, también debería existir una partícula conocida como bosón escalar (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 una búsqueda de 40 años , en 2012 los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN , cerca de Ginebra (Suiza), 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 se ha asociado con esta teoría, varios investigadores entre 1960 y 1972 desarrollaron de forma independiente diferentes partes de ella.
En los medios de comunicación, el bosón de Higgs ha sido llamado a menudo la " partícula de Dios " en honor al libro de 1993 La partícula de Dios del Premio Nobel Leon Lederman . [16] El nombre ha sido criticado por los físicos, [17] [18] incluido Higgs. [19]
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. (Se utiliza una teoría separada, la relatividad general , para la gravedad). En el Modelo Estándar, las partículas y fuerzas en la naturaleza (aparte de la gravedad) surgen de propiedades de campos cuánticos conocidos como invariancia de calibre y simetrías . Las fuerzas en el Modelo Estándar son transmitidas por partículas conocidas como bosones de calibre . [20] [21]
Las teorías de invariancia de calibre son teorías que tienen una característica útil, a saber: algunos tipos de cambios en el valor de ciertos elementos no hacen ninguna diferencia en los resultados o las mediciones que hacemos. Por ejemplo: cambiar los voltajes en un electroimán en +100 voltios no causa 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, independientemente de la ubicación en el tiempo y el espacio, y cualquiera que sea el campo gravitatorio local .
En este tipo de teorías, el calibre es un elemento cuyo valor podemos cambiar. El hecho de que algunos cambios dejen inalterados los resultados que medimos significa que se trata de una teoría invariante de calibre, y las simetrías son los tipos específicos de cambios en el calibre que tienen el efecto de dejar inalteradas las mediciones. Las simetrías de este tipo son herramientas poderosas para una comprensión profunda de las fuerzas y partículas fundamentales de nuestro mundo físico. La invariancia de calibre es, por lo tanto, una propiedad importante dentro de la teoría de la física de partículas. Están estrechamente relacionadas 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 invariantes de calibre, lo que significa que se centran en las propiedades de nuestro universo, demostrando esta propiedad de invariancia de calibre y las simetrías involucradas.
Las teorías cuánticas de campos basadas en la invariancia de gauge se habían utilizado con gran éxito para comprender las fuerzas electromagnética y fuerte , pero alrededor de 1960, todos los intentos de crear una teoría invariante de gauge para la fuerza débil (y su combinación con la fuerza electromagnética, conocidas en conjunto como interacción electrodébil ) habían fracasado sistemáticamente. Como resultado de estos fracasos, las teorías de gauge comenzaron a caer en descrédito. El problema era que los requisitos de simetría para estas dos fuerzas predecían incorrectamente que los bosones de gauge 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 mostraron que los bosones de gauge W y Z tenían una masa distinta de cero (en reposo). [23]
Además, muchas soluciones prometedoras parecían requerir la existencia de partículas adicionales conocidas como bosones de Goldstone . Pero la evidencia sugería que tampoco existían. Esto significaba que la invariancia de gauge era un enfoque incorrecto o que algo desconocido estaba dando a los bosones W y Z de la fuerza débil su masa, y lo estaba haciendo de una manera que no creaba bosones de Goldstone. A fines 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 es cuando alguna variable que anteriormente no afectaba los resultados medidos ( originalmente era una "simetría" ) ahora afecta los resultados medidos ( ahora está "rota" y ya no es una simetría ). En 1962, el físico Philip Anderson , un 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.
En concreto, 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 . Si fuera así, tal vez los bosones de Goldstone no existirían, y los bosones W y Z podrían ganar masa , resolviendo ambos problemas a la vez. Un comportamiento similar ya se había teorizado en superconductividad. [24] En 1964, los físicos Abraham Klein y Benjamin Lee demostraron que esto era teóricamente posible , al menos para algunos casos limitados ( no relativistas ). [25]
Tras los artículos de 1963 [26] y principios de 1964 [25] , tres grupos de investigadores desarrollaron estas teorías de forma independiente de forma más completa, en lo que se conoció como los artículos de ruptura de simetría de PRL de 1964. Los tres grupos llegaron a conclusiones similares y para todos los casos, no solo 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 el 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 se conoció como el mecanismo de Higgs . Una característica clave del campo necesario es que se necesitaría menos energía para que el campo tuviera 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 todas partes . Este valor distinto de cero podría en teoría romper la simetría electrodébil. Fue la primera propuesta capaz de mostrar cómo los bosones de gauge de fuerza débil podían tener masa a pesar de su simetría gobernante, dentro de una teoría invariante de gauge.
Aunque estas ideas no obtuvieron mucho apoyo o atención inicialmente, en 1972 se habían desarrollado hasta convertirse en una teoría integral y demostraron ser capaces de dar resultados "sensatos" que describían con precisión las partículas conocidas en ese momento y que, con una precisión excepcional, predijeron 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 se conoció como el "Campo de Higgs", existía en todo el espacio y rompía algunas leyes de simetría de la interacción electrodébil , lo que desencadenaba 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 la 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 una manera diferente, por qué otros componentes 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 promedio distinto de cero en el vacío .
Todavía no había ninguna evidencia directa de la existencia del campo de Higgs, pero incluso sin una prueba directa, 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 el campo de Higgs existía, y por lo tanto si todo el Modelo Estándar era correcto, había llegado a considerarse como una de las preguntas sin respuesta más importantes en la física de partículas . La existencia del campo de Higgs se convirtió en la última parte no verificada del Modelo Estándar de la física de partículas, y durante varias décadas se consideró "el problema central en la física de partículas". [14] [15]
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 detectarlo. Si el campo de Higgs existiera, sería distinto 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 hipótesis de la teoría del bosón de Higgs hizo varias predicciones clave. [f] [28] : 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 existía y, por lo tanto, probaría finalmente si la explicación del Modelo Estándar era correcta. Por lo tanto, hubo una búsqueda exhaustiva del bosón de Higgs , como una forma de probar que el campo de Higgs en sí existía. [11] [12]
Aunque el campo de Higgs existiría en todas partes, probar su existencia no fue nada fácil. En principio, se puede probar 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 requerida para producirlas y su producción muy rara incluso si 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 bosones de Higgs tardaron más de 30 años ( c. 1980-2010 ) en desarrollarse. La importancia de esta pregunta fundamental condujo a una búsqueda de 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 , [29] en un intento de crear bosones de Higgs y otras partículas para su observación y estudio.
El 4 de julio de 2012 se anunció el descubrimiento de una nueva partícula con una masa entreSe anunció la existencia de 125 y 127 GeV/ c 2 ; los físicos sospecharon que se trataba del bosón de Higgs. [30] [j] [31] [32] 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 un bosón de Higgs. Esto también significa que es la primera partícula escalar elemental descubierta en la naturaleza. [33]
En marzo de 2013 se confirmó la existencia del bosón de Higgs y, por lo tanto, el concepto de algún tipo de campo de Higgs en todo el espacio está firmemente respaldado. [30] [32] [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 ser "sin masa". También resuelve varios otros enigmas de larga data, como la razón 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 lo describen algunas teorías, existen múltiples bosones de Higgs. [34]
Actualmente se están investigando más a fondo la naturaleza y las propiedades de este campo, utilizando más datos recopilados en el LHC. [35]
Se han utilizado varias analogías para describir el campo de Higgs y el bosón, 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.
Se utilizan comúnmente otras analogías basadas en la resistencia de objetos macro que se mueven a través de medios (como personas que se mueven a través de multitudes o algunos objetos que se mueven a través de jarabe o melaza ), pero son engañosas, ya que el campo de Higgs en realidad no resiste a las partículas y el efecto de la masa no es causado por la resistencia.
En el Modelo Estándar, el bosón de Higgs es un bosón escalar masivo cuya masa debe determinarse experimentalmente. Se ha determinado que su masa es125,35 ± 0,15 GeV/ c 2 por CMS (2022) [36] y125,11 ± 0,11 GeV/ c 2 por ATLAS (2023). Es la única partícula que sigue siendo masiva incluso a energías muy altas. Tiene espín cero, paridad par (positiva) , no tiene carga eléctrica ni carga de color , y se acopla a la masa (interactúa con ella). [13] También es muy inestable y se desintegra 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 simetría isospín SU(2) débil. A diferencia de cualquier otro campo cuántico conocido, tiene un potencial de Sombrero . Esta forma significa que por debajo de energías extremadamente altas de aproximadamente159,5 ± 1,5 GeV [37] como los observados durante el primer picosegundo (10 −12 s) del Big Bang , el campo de Higgs en su estado fundamental necesita 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 vacío). Este valor distinto de cero, a su vez, rompe la simetría débil isospín SU(2) de la interacción electrodébil en todas partes. (Técnicamente, el valor de expectativa distinto de cero convierte los términos de acoplamiento de 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) (el " 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 de Yukawa ), lo que hace que estas también adquieran masa . [38]
La evidencia del campo de Higgs y sus propiedades ha sido extremadamente significativa por muchas razones. La importancia del bosón de Higgs radica en gran medida en que se puede examinar 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 a través del 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 e interacciones del campo, se podrá comprender mejor este campo fundamental. Si no se hubiera descubierto el campo de Higgs, habría sido necesario modificar o reemplazar el Modelo Estándar.
En relación con esto, entre los físicos existe la creencia generalizada de que es probable que exista una física "nueva" más allá del Modelo Estándar , y que en algún momento el Modelo Estándar será ampliado o reemplazado. El descubrimiento del Higgs, así como las numerosas colisiones medidas que se producen 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 podrían 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/ k B . [39] Esta ruptura de simetría es necesaria para la formación de átomos y otras estructuras, así como para las 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 las masas de los quarks y los leptones cargados (a través del acoplamiento de Yukawa) y los bosones de calibre W y Z (a través del 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 el campo de Higgs 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 la interacción fuerte dentro de los bariones. [40] En las teorías basadas en el campo de 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 . [41]
El campo de Higgs es el único campo escalar (espín 0) que se detecta; todos los demás campos fundamentales del Modelo Estándar son de espín 0. 1 /2 fermiones o bosones de espín 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 del Higgs en la determinación de la masa de otras partículas. Sugiere que otros campos escalares hipotéticos sugeridos por otras teorías, desde el inflatón hasta la quintaesencia , tal vez también podrían existir. [42] [43]
Se han realizado considerables investigaciones científicas sobre los posibles vínculos entre el campo de Higgs y el inflatón , un campo hipotético sugerido como la 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 responsable de este fenómeno; el campo de Higgs es un campo de este tipo, 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 significativos 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 de Higgs aún son de interés teóricamente.
En el Modelo Estándar, existe la posibilidad de que el estado subyacente de nuestro universo, conocido como el "vacío", sea duradero, pero no completamente estable . En este escenario, el universo tal como lo conocemos podría destruirse efectivamente al colapsar en un estado de vacío más estable . [45] [46] [47] [48] [49] Esto a veces se informó erróneamente como que el bosón de Higgs "acaba" con el universo. [l] Si las masas del bosón de Higgs y el 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 duradero. [52] [53] [54] 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. [44] La nueva física puede cambiar esta imagen. [55]
Si las mediciones del bosón de Higgs sugieren que nuestro universo se encuentra dentro de un falso vacío de este tipo, entonces implicaría –muy probablemente en muchos miles de millones de años [56] [m] – que las fuerzas, partículas y estructuras del universo podrían dejar de existir como las conocemos (y ser reemplazadas por otras diferentes), si un verdadero vacío llegara a nuclearse . [56] [n] También sugiere que el autoacoplamiento del bosón de Higgs λ y su función β λ podrían ser muy cercanas a cero en la escala de Planck, con implicaciones "intrigantes", incluyendo teorías de la gravedad y la inflación basada en el bosón de Higgs. [44] : 218 [58] [59] Un futuro colisionador electrón-positrón sería capaz de proporcionar las mediciones precisas del quark top necesarias para tales cálculos. [44]
De manera más especulativa, el campo de Higgs también se ha 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 sin rasgos distintivos de energía indiferenciada y extremadamente alta. En este tipo de especulación, el campo unificado único de una teoría de gran unificación 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 algún campo similar, en las transiciones de fase que surgen las fuerzas y los campos del universo actualmente conocidos. [60]
La relación (si la hay) entre el campo de Higgs y la densidad de energía del vacío del universo observada actualmente también ha sido objeto de estudio científico. Como se ha observado, la densidad de energía del vacío actual es extremadamente cercana a cero, pero las densidades de energía predichas a partir del campo de Higgs, la supersimetría y otras teorías actuales son típicamente muchos órdenes de magnitud mayores. No está claro cómo se deben conciliar. Este problema de la constante cosmológica sigue siendo un importante problema sin respuesta en la física.
Los físicos de partículas estudian la materia hecha de partículas fundamentales cuyas interacciones están mediadas por partículas de intercambio –bosones de gauge– que actúan como portadores de fuerza . A principios de la década de 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 son partículas y fuerzas, sino campos cuánticos y sus simetrías . [61] : 150 Sin embargo, los intentos de producir modelos de campo cuántico para dos de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas –la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil– y luego unificar estas interacciones , todavía no tuvieron éxito.
Un problema conocido era que los enfoques invariantes de calibre , incluidos los modelos no abelianos como la teoría de Yang-Mills (1954), que eran muy prometedores para las teorías unificadas, también parecían predecir que las partículas masivas conocidas no tenían masa. [24] El teorema de Goldstone , relacionado con las simetrías continuas dentro de algunas teorías, también parecía descartar muchas soluciones obvias, [62] ya que parecía mostrar que también tendrían que existir partículas de masa cero conocidas como bosones de Goldstone que simplemente "no se veían". [63] Según Guralnik , los físicos "no entendían" cómo se podían superar estos problemas. [63]
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 de gauge no abeliana tenía un gran problema: en la teoría de perturbaciones hay partículas sin masa que no corresponden a nada de lo que vemos. Una forma de deshacerse de este problema es ahora bastante bien entendida: el fenómeno de confinamiento que se produce en la QCD , donde las interacciones fuertes eliminan los estados de "gluones" sin masa a grandes distancias. A principios de los años sesenta, la gente había comenzado a comprender otra fuente de partículas sin masa: la ruptura espontánea de la simetría de una simetría continua. Lo que Philip Anderson se dio cuenta y elaboró en el verano de 1962 fue que, cuando se tiene tanto simetría de gauge como ruptura espontánea de la simetría, el modo de Nambu-Goldstone sin masa [que da lugar a los bosones de Goldstone] puede combinarse con los modos de campo de gauge sin masa [que dan lugar a los bosones de gauge sin masa] para producir un campo vectorial masivo físico [bosones de gauge con masa]. Esto es lo que sucede en la superconductividad , un tema sobre el que Anderson era (y es) uno de los principales expertos. [24] [texto condensado]
El mecanismo de Higgs es un proceso por el cual los bosones vectoriales pueden adquirir masa en reposo sin romper explícitamente la invariancia de calibre , como un subproducto de la ruptura espontánea de la simetría . [64] [65] 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 [66] (y algo anticipada por Ernst Stueckelberg en 1938 [67] ), y el concepto de que tal mecanismo podría ofrecer una posible solución para el "problema de la masa" fue sugerido originalmente en 1962 por Philip Anderson, quien previamente había escrito artículos sobre la simetría rota y sus resultados en la superconductividad. [68] 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"), [69] [26] y en marzo de 1964, Abraham Klein y Benjamin Lee demostraron que el teorema de Goldstone podía evitarse de esta manera al menos en algunos casos no relativistas, y especularon que podría ser posible en casos verdaderamente relativistas. [25]
Estos enfoques fueron desarrollados rápidamente 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; [70] por Peter Higgs en octubre de 1964; [71] y por Gerald Guralnik , Carl Hagen y Tom Kibble (GHK) en noviembre de 1964. [72] Higgs también escribió una respuesta corta, pero importante, [64] publicada en septiembre de 1964 a una objeción de Gilbert , [73] que mostraba que si se calculaba dentro del medidor de radiación, el teorema de Goldstone y la objeción de Gilbert se volverían inaplicables. [o] Higgs luego describió la objeción de Gilbert como la que motivó su propio artículo. [74] Las propiedades del modelo fueron consideradas más a fondo por Guralnik en 1965, [75] por Higgs en 1966, [76] por Kibble en 1967, [77] y más adelante por GHK en 1967. [78] 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. [64] [65] [79] En 1967, Steven Weinberg [80] y Abdus Salam [81] mostraron independientemente cómo un mecanismo de Higgs podría usarse para romper la simetría electrodébil del modelo unificado de Sheldon Glashow para las interacciones débiles y electromagnéticas , [82] (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. [83] [p]
Al principio, estos artículos seminales sobre la ruptura espontánea de simetrías de calibración fueron ignorados en gran medida, porque se creía ampliamente que las teorías de calibración (no abelianas) en cuestión eran un callejón sin salida, y en particular que no podían ser renormalizadas . 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 campos masivos. [83] 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 [84] - fue finalmente "enormemente profundo e influyente", [85] pero incluso con todos los elementos clave de la teoría final publicada, todavía 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 [86] y discutido por David Politzer en su discurso Nobel de 2004 [85] - ahora el más citado en física de partículas [87] - e incluso en 1970 según Politzer, la enseñanza de Glashow sobre la interacción débil no contenía ninguna mención del trabajo de Weinberg, Salam o el propio Glashow. [85] En la práctica, afirma Politzer, casi todos se enteraron de la teoría debido al físico Benjamin Lee , quien combinó el trabajo de Veltman y 't Hooft con ideas de otros, y popularizó la teoría completa. [85] De esta manera, a partir de 1971, el interés y la aceptación "explotaron" [85] y las ideas fueron rápidamente absorbidas por la corriente principal. [83] [85]
La teoría electrodébil resultante y el Modelo Estándar han predicho con precisión (entre otras cosas) las corrientes neutras débiles , los tres bosones , los quarks top y charm , y con gran precisión, la masa y otras propiedades de algunos de ellos. [f] Muchos de los implicados acabaron ganando premios Nobel u otros premios de renombre. Un artículo de 1974 y una revisión exhaustiva en Reviews of Modern Physics comentaron que "aunque nadie dudaba de la corrección [matemática] de estos argumentos, nadie creía del todo que la naturaleza fuera lo suficientemente diabólicamente inteligente como para sacar ventaja de ellos", [88] añadiendo que la teoría había producido hasta ahora respuestas precisas que concordaban con la experimentación, pero se desconocía si la teoría era fundamentalmente correcta. [89] En 1986 y de nuevo en la década de 1990 se hizo posible escribir que entender y probar el sector de Higgs del Modelo Estándar era "el problema central hoy en día en la física de partículas". [14] [15]
Los tres artículos escritos en 1964 fueron reconocidos como artículos de referencia durante la celebración del 50 aniversario de Physical Review Letters . [79] Sus seis autores también fueron galardonados con el Premio JJ Sakurai 2010 de Física Teórica de Partículas por este trabajo. [90] (También surgió una controversia el mismo año, porque en el caso de un Premio Nobel solo se podía reconocer a hasta tres científicos, y seis eran acreditados por los artículos. [91] ) Dos de los tres artículos de PRL (de Higgs y de GHK) contenían ecuaciones para el campo hipotético que eventualmente se conocería como el campo de Higgs y su cuanto hipotético , el bosón de Higgs. [71] [72] El artículo posterior de Higgs de 1966 mostró el mecanismo de desintegración del bosón; solo un bosón masivo puede desintegrarse y las desintegraciones pueden probar el mecanismo. [ cita requerida ]
En el artículo de Higgs, el bosón es masivo, y en una oración final Higgs escribe que "una característica esencial" de la teoría "es la predicción de multipletes incompletos de bosones escalares y vectoriales ". [71] ( Frank Close comenta que los teóricos de calibre de los años 1960 se centraron en el problema de los bosones vectoriales sin masa, y la existencia implícita de un bosón escalar masivo no se consideró importante; solo Higgs lo abordó directamente. [92] : 154, 166, 175 ) En el artículo de GHK, el bosón no tiene masa y está desacoplado de los estados masivos. [72] En revisiones de 2009 y 2011, Guralnik afirma que en el modelo GHK el bosón solo no tiene masa 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 en demostrar que no hay bosones de Goldstone sin masa en el modelo y en dar un análisis completo del mecanismo general de Higgs. [63] [93] 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 implicó calcular la polarización del vacío en la teoría de perturbaciones alrededor de un estado de vacío de ruptura de simetría asumido, y GHK utilizó el formalismo de operadores y las leyes de conservación para explorar en profundidad las formas en que se puede trabajar con el teorema de Goldstone. [64] 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 un bosón de Higgs fugazmente 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 cambio, 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 puede haberse 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 procesos, y cada uno de los procesos conocidos. Por lo tanto, si el detector detecta más firmas de desintegración que coinciden consistentemente con un bosón de Higgs de lo que se esperaría de otra manera si los bosones de Higgs no existieran, entonces esto sería una evidencia sólida de que el bosón de Higgs existe.
Como la producción del bosón de Higgs en una colisión de partículas es muy poco frecuente (1 en 10 mil millones en el LHC), [q] y muchos otros eventos de colisión posibles pueden tener firmas de desintegración similares, es necesario analizar los datos de cientos de billones de colisiones 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 en un millón de que las firmas de desintegración observadas se deban solo a eventos aleatorios de fondo del Modelo Estándar, es decir, que el número observado de eventos sea más de cinco desviaciones estándar (sigma) diferente del esperado si no hubiera una nueva partícula. Más datos de colisión permiten una mejor confirmación de las propiedades físicas de cualquier nueva partícula observada, y permite a los físicos decidir si es de hecho 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 los bosones de Higgs podrían no verse en experimentos de menor energía. El colisionador necesitaba tener una alta luminosidad para garantizar que se vieran suficientes colisiones para poder sacar conclusiones. Finalmente, se necesitaban instalaciones informáticas avanzadas para procesar la enorme cantidad de datos (25 petabytes por año a partir de 2012) producidos por las colisiones. [96] Para el anuncio del 4 de julio de 2012, se construyó en el CERN un nuevo colisionador conocido como el Gran Colisionador de Hadrones con una energía de colisión final planificada de 14 TeV , más de siete veces la de cualquier colisionador anterior, y más de 300 billones (Las colisiones protón-protón del LHC fueron analizadas por el 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. [96] [ 97] [98]
La primera búsqueda extensa 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 final de su servicio en 2000, el LEP no había encontrado evidencia concluyente del bosón de Higgs. [r] Esto implicaba que si el bosón de Higgs existiera, tendría que ser más pesado que114,4 GeV/ c2 . [ 99]
La búsqueda continuó en el Fermilab de Estados Unidos, donde el Tevatron (el colisionador que descubrió el quark top en 1995) había sido mejorado para este propósito. No había garantía de que el Tevatron pudiera encontrar el bosón de 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 planeado se había cancelado en 1993 y nunca se completó. El Tevatron solo pudo excluir más rangos para la masa del bosón de Higgs, y se cerró 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 entre 100 y 150 μg/cm2.147 GeV/ c 2 y180 GeV/ c 2 . 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 . [ 100]
El Gran Colisionador de Hadrones del CERN, en Suiza, fue diseñado específicamente para poder confirmar o descartar la existencia del bosón de Higgs. Construido en un túnel subterráneo de 27 km cerca de Ginebra , originalmente habitado por el 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 la del Tevatron, y ampliable a 2 × 7 TeV (14 TeV en total) en el futuro. La teoría sugería que si el bosón de Higgs existía, las colisiones a estos niveles de energía deberían poder revelarlo. Como uno de los instrumentos científicos más complicados jamás construidos, su disponibilidad 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. [101] [102] [103]
La recopilación de datos en el LHC finalmente comenzó en marzo de 2010. [104] Para diciembre de 2011, los dos detectores de partículas principales del LHC, ATLAS y CMS , habían reducido el rango de masa en el que podría existir el Higgs a alrededor de116–130 GeV/ c 2 (ATLAS) y115–127 GeV/ c 2 (CMS). [105] [106] También había habido una serie de excesos de eventos prometedores que se habían "evaporado" y demostrado ser nada más que fluctuaciones aleatorias. Sin embargo, desde aproximadamente mayo de 2011, [107] ambos experimentos habían visto entre sus resultados, la lenta aparición de un exceso pequeño pero constante de firmas de desintegración gamma y de 4 leptones y varias otras desintegraciones de partículas, todas apuntando a una nueva partícula con una masa de alrededor de 115–127 GeV/ c 2 (CMS).125 GeV/ c 2 . [107] Alrededor de noviembre de 2011, los datos anómalos enEl tamaño de 125 GeV/ c 2 se estaba volviendo "demasiado grande para ignorarlo" (aunque todavía estaba lejos de ser concluyente), y los líderes de equipo tanto de ATLAS como de CMS sospechaban en privado que podrían haber encontrado el bosón de Higgs. [107] 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 comenzaron los preparativos iniciales en caso de un hallazgo exitoso. [107] Si bien esta información no se conocía públicamente en ese momento, la reducción del posible rango del 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 elLos hallazgos de la región c 2 de 124-126 GeV (descritos como "pistas tentadoras" de alrededor de 2-3 sigma) eran de conocimiento público y suscitaban "mucho interés". [108] Por lo tanto, se esperaba ampliamente que hacia fines de 2011 el LHC proporcionaría datos suficientes para excluir o confirmar el hallazgo de un bosón de Higgs para fines de 2012, cuando se hubieran examinado sus datos de colisión de 2012 (con una energía de colisión ligeramente superior de 8 TeV). [108] [109]
El 22 de junio de 2012, el CERN anunció un próximo seminario que cubriría hallazgos tentativos para 2012, [113] [114] y poco después (alrededor del 1 de julio de 2012 según un análisis del rumor que se extendía en las redes sociales [115] ) comenzaron a difundirse rumores en los medios de que esto incluiría un anuncio importante, pero no estaba claro si esto sería una señal más fuerte o un descubrimiento formal. [116] [117] La especulación escaló a un tono "febril" cuando surgieron informes de que Peter Higgs , quien propuso la partícula, asistiría al seminario, [118] [119] y que se había invitado a "cinco físicos destacados" -generalmente se cree que significa los cinco autores vivos de 1964- con Higgs, Englert, Guralnik, Hagen asistiendo y Kibble confirmando su invitación (Brout había muerto en 2011). [120]
El 4 de julio de 2012, ambos experimentos del CERN anunciaron que habían hecho independientemente el mismo descubrimiento: [121] CMS de un bosón previamente desconocido con masa125,3 ± 0,6 GeV/ c 2 [122] [123] y ATLAS de un bosón con masa126,0 ± 0,6 GeV/ c 2 . [124] [125] Utilizando el análisis combinado de dos tipos de interacción (conocidos como "canales"), ambos experimentos alcanzaron independientemente una significancia local de 5 sigma, lo que implica que la probabilidad de obtener al menos un resultado tan fuerte por pura casualidad es inferior a una en tres millones. Cuando se tuvieron en cuenta canales adicionales, la significancia de CMS se redujo a 4,9 sigma. [123]
Los dos equipos habían estado trabajando "a ciegas" entre sí desde finales de 2011 o principios de 2012, [107] lo que significa que no discutieron sus resultados entre sí, lo que proporcionó certeza adicional de que cualquier hallazgo común era una validación genuina de una partícula. [96] Este nivel de evidencia, confirmado independientemente 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 significancia a 5,9 sigma (1 en 588 millones de posibilidades de obtener al menos una evidencia tan sólida solo con efectos de fondo aleatorios) y masa 126,0 ± 0,4 (stat) ± 0,4 (sys) GeV/ c 2 , [125] y CMS mejoró la significancia a 5 sigma y masa 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/ c 2 . [122]
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 idea de que la partícula observada era 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 las proporciones 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 aún dejaban lugar a explicaciones alternativas, lo que significa que un anuncio del descubrimiento de un bosón de Higgs habría sido prematuro. [126] Para permitir más oportunidades para la recopilación de datos, el cierre propuesto del LHC en 2012 y la actualización 2013-14 se pospusieron siete semanas en 2013. [127]
En noviembre de 2012, en una conferencia en Kioto, los investigadores dijeron que la evidencia reunida desde julio estaba coincidiendo más con el Modelo Estándar básico que con sus alternativas, con un rango de resultados para varias interacciones que coincidían con las predicciones de esa teoría. [128] El físico Matt Strassler destacó la 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), la "evaporación" o la falta de mayor importancia para indicios previos de hallazgos no pertenecientes al Modelo Estándar, las interacciones esperadas del Modelo Estándar con los bosones W y Z , la ausencia de "nuevas implicaciones significativas" a favor o en contra de la supersimetría y, en general, ninguna desviación significativa 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; [130] por lo que los comentaristas señalaron que, basándose en otras partículas que todavía se están entendiendo mucho después de su descubrimiento, puede llevar años estar seguro y décadas comprender completamente la partícula que se ha encontrado. [128] [s]
Estos hallazgos significaron que a partir de enero de 2013, los científicos estaban muy seguros de haber encontrado una partícula desconocida de masa ~ 125 GeV/ c 2 , y no se habían dejado engañar por un error experimental o un resultado casual. 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 el momento 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 las pruebas futuras podrían mostrar comportamientos que no coincidan con un bosón de Higgs, por lo que a diciembre de 2012 el CERN todavía solo declaró que la nueva partícula era "coherente con" el bosón de Higgs, [30] [32] y los científicos aún no dijeron positivamente que fuera el bosón de Higgs. [131] A pesar de esto, a fines de 2012, informes generalizados de los medios anunciaron (incorrectamente) que se había confirmado un bosón de Higgs durante el año. [137]
En enero de 2013, el director general del CERN, Rolf-Dieter Heuer, afirmó que, basándose en el análisis de datos hasta la fecha, podría ser posible obtener una respuesta "hacia" mediados de 2013, [ 138] y el vicepresidente de física del Laboratorio Nacional de Brookhaven afirmó en febrero de 2013 que una respuesta "definitiva" podría requerir "unos años más" después del reinicio del colisionador en 2015. [139] A principios de marzo de 2013, el director de investigación del CERN, Sergio Bertolucci, afirmó que confirmar el espín 0 era el principal requisito restante para determinar si la partícula es al menos algún tipo de bosón de Higgs. [140]
El 14 de marzo de 2013 el CERN confirmó lo siguiente:
El CMS y el ATLAS han comparado varias opciones para la paridad de espín de esta partícula, y todas ellas prefieren la ausencia de espín y la paridad par [dos criterios fundamentales de un bosón de Higgs compatibles con el Modelo Estándar]. Esto, junto con las interacciones medidas de la nueva partícula con otras partículas, indica firmemente 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. [33]
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 denominó a la partícula descubierta simplemente "el bosón de Higgs". [35] A partir de 2019, el Gran Colisionador de Hadrones ha seguido produciendo hallazgos que confirman la comprensión de 2013 del campo y la partícula de Higgs. [147] [148]
El trabajo experimental del LHC desde su reinicio en 2015 ha incluido el sondeo del campo y el bosón de Higgs con un mayor nivel de detalle, y la confirmación de si las predicciones menos comunes eran correctas. En particular, la exploración desde 2015 ha proporcionado evidencia sólida de la desintegración directa predicha en fermiones como pares de quarks bottom (3,6 σ) –descrita como un "hito importante" en la comprensión de su corta vida y otras desintegraciones raras– y también para confirmar la desintegración en pares de leptones tau (5,9 σ). Esto fue descrito por el CERN como "de suma importancia para establecer el acoplamiento del bosón de Higgs a los leptones y representa un paso importante hacia la medición de sus acoplamientos a los fermiones de tercera generación, las copias muy pesadas de los electrones y quarks, cuyo papel en la naturaleza es un profundo misterio". [35] Los resultados publicados al 19 de marzo de 2018 a 13 TeV para ATLAS y CMS tenían sus mediciones de la masa del 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 bottom, lo que representa aproximadamente el 60% de todas sus desintegraciones. [149] [150] [151]
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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 extendiera los modelos de unificación electrodébil en 1961, hubo grandes dificultades para desarrollar 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 examinando el Lagrangiano de Dirac para un fermión en términos de componentes zurdos y diestros; encontramos que ninguna de las partículas de espín-mitad podría invertir la helicidad como se requiere para la masa, por lo que deben ser sin 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 propiedad intrínseca, excepto abandonando la invariancia de norma. Si se hubiera de conservar la invariancia de norma, entonces estas partículas tendrían que estar adquiriendo 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 hay 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"), que a su vez implica una nueva fuerza de largo alcance. Pero tampoco se detectaron nuevas fuerzas de largo alcance o partículas sin masa. Por lo tanto, lo que le daba a estas partículas su masa no tenía que "romper" la invariancia de calibre como base para otras partes de las teorías donde funcionaba bien, y no tenía que requerir o predecir partículas sin masa inesperadas o fuerzas de largo alcance que en realidad no parecían existir en la naturaleza.
Una solución a todos estos problemas superpuestos llegó del descubrimiento de un caso límite previamente inadvertido oculto en las matemáticas del teorema de Goldstone: [o] bajo ciertas condiciones podría ser teóricamente posible romper una simetría sin alterar la invariancia de norma y sin nuevas partículas o fuerzas sin masa, y teniendo resultados "sensibles" ( renormalizables ) matemáticamente. Esto se conoció como el mecanismo de Higgs .
El Modelo Estándar plantea la hipótesis de un campo que es 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 de expectativa 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 distinta 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 a través del 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 insolubles 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 gauge y al mismo tiempo seguir siendo compatible con las teorías de gauge . [152] Su quantum sería un bosón escalar , conocido como bosón de Higgs. [153]
El mecanismo de Higgs propuesto surgió como resultado de teorías propuestas para explicar 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, la superconductividad se interpreta como el resultado 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 teorías de campo basadas en el calibre. Para ello, el campo debe estar cargado. Un campo escalar cargado también debe ser complejo (o, dicho de otro modo, debe contener al menos dos componentes y una simetría capaz de rotar cada uno de ellos en el otro u otros). En la teoría de calibre ingenua, una transformación de calibre de un condensado suele rotar la fase. Pero en estas circunstancias, en cambio fija una elección preferida de fase. Sin embargo, resulta que fijar la elección del calibre de modo que el condensado tenga la misma fase en todas partes también hace que el campo electromagnético gane un término adicional. 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 paralelismos quedaron claros. Un cambio del campo electromagnético, que normalmente es de largo alcance, a uno de corto alcance, dentro de una teoría invariante de norma, era exactamente el efecto necesario buscado para los bosones de fuerza débil (porque una fuerza de largo alcance tiene bosones de norma sin masa, y una fuerza de corto alcance implica bosones de norma masivos, lo que sugiere que un resultado de esta interacción es que los bosones de norma 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 rotarlos entre sí. [u]
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 neutros CP-pares h 0 y H 0 , un bosón de Higgs neutro CP-impar A 0 y dos partículas de Higgs cargadas H ± . La supersimetría ("SUSY") también predice relaciones entre las masas de los bosones de Higgs y las masas de los bosones de calibración, y podría dar cabida a unaBosón de Higgs neutro de 125 GeV/ c 2 .
El método clave para distinguir entre estos diferentes modelos implica el estudio de las interacciones de las partículas ("acoplamiento") y los procesos exactos de desintegración ("coeficientes 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 los quarks up y down, mientras que el segundo doblete no se acopla a los quarks. Este modelo tiene dos límites interesantes, en los que el Higgs más ligero se acopla sólo a los fermiones ("gaugefóbico " ) o sólo a los bosones gauge ("fermiofóbico"), pero no a ambos. En el modelo 2HDM Tipo-II, un doblete de Higgs sólo se acopla a los quarks de tipo up, el otro sólo se acopla a los quarks de tipo down. [154] 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 requerida ]
En otros modelos, el escalar de Higgs es una partícula compuesta. Por ejemplo, en technicolor, el papel del campo de Higgs lo desempeñan pares de fermiones fuertemente ligados llamados techniquarks . Otros modelos presentan pares de quarks top (véase condensado de quarks top ). En otros modelos, no existe ningún campo de Higgs y la simetría electrodébil se rompe utilizando dimensiones adicionales. [155] [156]
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, en particular 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 longitudinal de bosones vectoriales). [157] Para reconciliar estos puntos parece necesario explicar por qué hay una cancelación casi perfecta que da como resultado la masa visible de ~ 125 GeV/ c 2 , y no está claro cómo hacer esto. 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 energía de gran unificación , parece que hay alguna conexión subyacente o razón para estas observaciones que es desconocida y no está descrita por el Modelo Estándar, o algún ajuste fino inexplicable y extremadamente preciso de los parámetros; sin embargo, en la actualidad ninguna de estas explicaciones está probada. Esto se conoce como un problema de jerarquía . [158] Más ampliamente, el problema de la jerarquía equivale a la preocupación de que una futura teoría de partículas fundamentales e interacciones no debería tener ajustes finos excesivos o cancelaciones indebidamente delicadas, y debería permitir que las masas de partículas como el bosón de Higgs sean calculables. El problema es en algunos sentidos exclusivo de las partículas de espín 0 (como el bosón de Higgs), lo que puede dar lugar a problemas relacionados con correcciones cuánticas que no afectan a las partículas con espín. [157] Se han propuesto varias soluciones , incluidas la supersimetría , soluciones conformes y soluciones a través de dimensiones adicionales, como los modelos de braneworld .
También existen cuestiones de trivialidad cuántica , lo que sugiere que puede no ser posible crear una teoría de campo cuántico consistente que involucre partículas escalares elementales. [159] Las restricciones de trivialidad se pueden utilizar para restringir o predecir parámetros como la masa del bosón de Higgs. Esto también puede conducir a una masa de Higgs predecible en escenarios de seguridad asintótica .
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 masa imaginaria , y en ciertas configuraciones debe sufrir una ruptura de simetría . Consta de cuatro componentes: dos campos neutros y dos campos de componentes cargados . Ambos componentes cargados y uno de los campos neutros son bosones de Goldstone , que actúan como los componentes de tercera polarización longitudinal de los bosones masivos W + , W − y Z. El cuanto del componente neutro restante corresponde a (y se realiza teóricamente como) el bosón de Higgs masivo. [160] Este componente puede interactuar con los fermiones a través del acoplamiento de Yukawa para darles masa también.
Matemáticamente, el campo de Higgs tiene masa imaginaria y, por lo 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. [162] [163] 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 ). [164] 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 puede parecer inquietante, es sólo el campo, y no la masa en sí, lo que está cuantizado. Por lo tanto, los operadores de campo en puntos separados espacialmente todavía conmutan (o anticonmutan) , y la información y las partículas todavía no se propagan más rápido que la luz. [165] La condensación de taquiones lleva a un sistema físico que ha alcanzado un límite local –y del que se podría esperar ingenuamente que produzca taquiones físicos– a un estado estable alternativo donde no existen taquiones físicos. Una vez que un campo taquiónico como el campo de Higgs alcanza el mínimo del potencial, sus cuantos ya no son taquiones sino partículas ordinarias como el bosón de Higgs. [166]
Como el campo de Higgs es escalar , el bosón de Higgs no tiene espín . El bosón de Higgs también es su propia antipartícula , es CP-par y tiene carga eléctrica y de color cero . [167]
El Modelo Estándar no predice la masa del bosón de Higgs. [168] 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 ). [169] Debería ser la única partícula en el Modelo Estándar que sigue siendo masiva incluso a altas energías. Muchos teóricos esperan que surja nueva física más allá del Modelo Estándar en la escala de TeV, basándose en propiedades insatisfactorias del Modelo Estándar. [170] 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. [171]
También es posible, aunque experimentalmente difícil, estimar la masa del bosón de Higgs indirectamente: en el Modelo Estándar, el bosón de Higgs tiene una serie de efectos indirectos; en particular, los bucles de Higgs dan lugar a pequeñas correcciones en las masas de los bosones W y Z. Las mediciones precisas de parámetros electrodébiles, como la constante de Fermi y las masas de los bosones W y Z, se pueden utilizar para calcular las restricciones sobre la masa del bosón de Higgs. A partir de julio de 2011, las mediciones precisas electrodébiles nos indican que es probable que la masa del bosón de Higgs sea inferior a 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 puede ser posible descubrir un bosón de Higgs por encima de estas masas, si está acompañado por otras partículas además de las que admite el Modelo Estándar. [173]
El LHC no puede medir directamente la vida del bosón de Higgs debido a su extrema brevedad. Se predice que1,56 × 10 −22 s basado en el ancho de desintegración 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 dentro de 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) . Usando esta técnica, la vida útil del bosón de Higgs se midió tentativamente en 2021 como 1,2 –4,6 × 10 −22 s , con una significancia de sigma 3,2 (1 en 1000). [3] [4]
Si las teorías de partículas de Higgs son válidas, entonces una partícula de Higgs puede producirse 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 , y luego permitir que choquen entre sí. Los protones y los iones de plomo (los núcleos desnudos de los átomos de plomo ) se utilizan en el LHC. En las energías extremas de estas colisiones, ocasionalmente se producirán las partículas esotéricas deseadas y esto puede detectarse y estudiarse; cualquier ausencia o diferencia con respecto a las expectativas teóricas también puede usarse 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, [94] [174] [175] 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 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:
Quantum mechanics predicts that if it is possible for a particle to decay into a set of lighter particles, then it will eventually do so.[176] This is also true for the Higgs boson. The likelihood with which this happens depends on a variety of factors including: the difference in mass, the strength of the interactions, etc. Most of these factors are fixed by the Standard Model, except for the mass of the Higgs boson itself. For a Higgs boson with a mass of 125 GeV/c2 the SM predicts a mean life time of about 1.6×10−22 s.[b]
Since it interacts with all the massive elementary particles of the SM, the Higgs boson has many different processes through which it can decay. Each of these possible processes has its own probability, expressed as the branching ratio; the fraction of the total number decays that follows that process. The SM predicts these branching ratios as a function of the Higgs mass (see plot).
One way that the Higgs can decay is by splitting into a fermion–antifermion pair. As general rule, the Higgs is more likely to decay into heavy fermions than light fermions, because the mass of a fermion is proportional to the strength of its interaction with the Higgs.[126] By this logic the most common decay should be into a top–antitop quark pair. However, such a decay would only be possible if the Higgs were heavier than ~346 GeV/c2, twice the mass of the top quark. For a Higgs mass of 125 GeV/c2 the SM predicts that the most common decay is into a bottom–antibottom quark pair, which happens 57.7% of the time.[2] The second most common fermion decay at that mass is a tau–antitau pair, which happens only about 6.3% of the time.[2]
Another possibility is for the Higgs to split into a pair of massive gauge bosons. The most likely possibility is for the Higgs to decay into a pair of W bosons (the light blue line in the plot), which happens about 21.5% of the time for a Higgs boson with a mass of 125 GeV/c2.[2] The W bosons can subsequently decay either into a quark and an antiquark or into a charged lepton and a neutrino. The decays of W bosons into quarks are difficult to distinguish from the background, and the decays into leptons cannot be fully reconstructed (because neutrinos are impossible to detect in particle collision experiments). A cleaner signal is given by decay into a pair of Z-bosons (which happens about 2.6% of the time for a Higgs with a mass of 125 GeV/c2),[2] if each of the bosons subsequently decays into a pair of easy-to-detect charged leptons (electrons or muons).
Decay into massless gauge bosons (i.e., gluons or photons) is also possible, but requires intermediate loop of virtual heavy quarks (top or bottom) or massive gauge bosons.[126] The most common such process is the decay into a pair of gluons through a loop of virtual heavy quarks. This process, which is the reverse of the gluon fusion process mentioned above, happens approximately 8.6% of the time for a Higgs boson with a mass of 125 GeV/c2.[2] Much rarer is the decay into a pair of photons mediated by a loop of W bosons or heavy quarks, which happens only twice for every thousand decays.[2] However, this process is very relevant for experimental searches for the Higgs boson, because the energy and momentum of the photons can be measured very precisely, giving an accurate reconstruction of the mass of the decaying particle.[126]
In 2021 the extremely rare Dalitz decay was tentatively observed,[citation needed] into two leptons (electrons or muons) and a photon (ℓℓγ), via virtual photon decay. This can happen in three ways; Higgs to virtual photon to ℓℓγ in which the virtual photon (γ*) has very small but nonzero mass, Higgs to Z boson to ℓℓγ, or Higgs to two leptons, one of which emits a final-state photon leading to ℓℓγ. ATLAS searched for evidence of the first of these (H → γ*γ → ℓℓγ) at low di-lepton mass (≤ 30 GeV/c2), where this process should dominate. The observation is at sigma 3.2 (1 in 1000) significance.[3][4] This decay path is important because it facilitates measuring the on- and off-shelf mass of the Higgs boson (allowing indirect measurement of decay time), and the decay into two charged particles allows exploration of charge conjugation and charge parity (CP) violation.[4]
The name most strongly associated with the particle and field is the Higgs boson[92]: 168 and Higgs field. For some time the particle was known by a combination of its PRL author names (including at times Anderson), for example the Brout–Englert–Higgs particle, the Anderson–Higgs particle, or the Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble mechanism,[x] and these are still used at times.[64][179] Fuelled in part by the issue of recognition and a potential shared Nobel Prize,[179][180]the most appropriate name was still occasionally a topic of debate until 2013.[179]Higgs himself preferred to call the particle either by an acronym of all those involved, or "the scalar boson", or "the so-called Higgs particle".[180]
A considerable amount has been written on how Higgs' name came to be exclusively used. Two main explanations are offered. The first is that Higgs undertook a step which was either unique, clearer or more explicit in his paper in formally predicting and examining the particle. Of the PRL papers' authors, only the paper by Higgs explicitly offered as a prediction that a massive particle would exist and calculated some of its properties;[181][92]: 167 he was therefore "the first to postulate the existence of a massive particle" according to Nature.[179]Physicist and author Frank Close and physicist-blogger Peter Woit both comment that the paper by GHK was also completed after Higgs and Brout–Englert were submitted to Physical Review Letters,[182][92]: 167 and that Higgs alone had drawn attention to a predicted massive scalar boson, while all others had focused on the massive vector bosons.[182][92]: 154,166,175 In this way, Higgs' contribution also provided experimentalists with a crucial "concrete target" needed to test the theory.[183]
However, in Higgs' view, Brout and Englert did not explicitly mention the boson since its existence is plainly obvious in their work,[69]: 6 while according to Guralnik the GHK paper was a complete analysis of the entire symmetry breaking mechanism whose mathematical rigour is absent from the other two papers, and a massive particle may exist in some solutions.[93]: 9 Higgs' paper also provided an "especially sharp" statement of the challenge and its solution according to science historian David Kaiser.[180]
The alternative explanation is that the name was popularised in the 1970s due to its use as a convenient shorthand or because of a mistake in citing. Many accounts (including Higgs' own[69]: 7 ) credit the "Higgs" name to physicist Benjamin Lee.[y]Lee was a significant populariser of the theory in its early days, and habitually attached the name "Higgs" as a "convenient shorthand" for its components from 1972,[17][179][184][185][186]and in at least one instance from as early as 1966.[187] Although Lee clarified in his footnotes that "'Higgs' is an abbreviation for Higgs, Kibble, Guralnik, Hagen, Brout, Englert",[184]his use of the term (and perhaps also Steven Weinberg's mistaken cite of Higgs' paper as the first in his seminal 1967 paper[92][188][187]) meant that by around 1975–1976 others had also begun to use the name "Higgs" exclusively as a shorthand.[z]In 2012, physicist Frank Wilczek, who was credited for naming the elementary particle, the axion (over an alternative proposal "Higglet", by Weinberg), endorsed the "Higgs boson" name, stating "History is complicated, and wherever you draw the line, there will be somebody just below it."[180]
The Higgs boson is often referred to as the "God particle" in popular media outside the scientific community.[189][190][191][192][193] The nickname comes from the title of the 1993 book on the Higgs boson and particle physics, The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? by Physics Nobel Prize winner and Fermilab director Leon Lederman.[28] Lederman wrote it in the context of failing US government support for the Superconducting Super Collider,[194] a partially constructed titanic[195][196] competitor to the Large Hadron Collider with planned collision energies of 2 × 20 TeV that was championed by Lederman since its 1983 inception[194][aa][197][198] and shut down in 1993. The book sought in part to promote awareness of the significance and need for such a project in the face of its possible loss of funding.[199] Lederman, a leading researcher in the field, writes that he wanted to title his book The Goddamn Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question? Lederman's editor decided that the title was too controversial and convinced him to change the title to The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question?[200]
While media use of this term may have contributed to wider awareness and interest,[201] many scientists feel the name is inappropriate[17][18][202] since it is sensational hyperbole and misleads readers;[203] the particle also has nothing to do with any God, leaves open numerous questions in fundamental physics, and does not explain the ultimate origin of the universe. Higgs, an atheist, was reported to be displeased and stated in a 2008 interview that he found it "embarrassing" because it was "the kind of misuse [...] which I think might offend some people".[203][204][205] The nickname has been satirised in mainstream media as well.[206] Science writer Ian Sample stated in his 2010 book on the search that the nickname is "universally hate[d]" by physicists and perhaps the "worst derided" in the history of physics, but that (according to Lederman) the publisher rejected all titles mentioning "Higgs" as unimaginative and too unknown.[207]
Lederman begins with a review of the long human search for knowledge, and explains that his tongue-in-cheek title draws an analogy between the impact of the Higgs field on the fundamental symmetries at the Big Bang, and the apparent chaos of structures, particles, forces and interactions that resulted and shaped our present universe, with the biblical story of Babel in which the primordial single language of early Genesis was fragmented into many disparate languages and cultures.[208]
Today [...] we have the standard model, which reduces all of reality to a dozen or so particles and four forces [...] It's a hard-won simplicity [and] remarkably accurate. But it is also incomplete and, in fact, internally inconsistent [...] This boson is so central to the state of physics today, so crucial to our final understanding of the structure of matter, yet so elusive, that I have given it a nickname: the God Particle. Why God Particle? Two reasons. One, the publisher wouldn't let us call it the Goddamn Particle, though that might be a more appropriate title, given its villainous nature and the expense it is causing. And two, there is a connection, of sorts, to another book, a much older one ...
— Lederman & Teresi[28]: 22
Lederman asks whether the Higgs boson was added just to perplex and confound those seeking knowledge of the universe, and whether physicists will be confounded by it as recounted in that story, or ultimately surmount the challenge and understand "how beautiful is the universe [God has] made".[209]
A renaming competition by British newspaper The Guardian in 2009 resulted in their science correspondent choosing the name "the champagne bottle boson" as the best submission: "The bottom of a champagne bottle is in the shape of the Higgs potential and is often used as an illustration in physics lectures. So it's not an embarrassingly grandiose name, it is memorable, and [it] has some physics connection too."[210]The name Higgson was suggested as well, in an opinion piece in the Institute of Physics' online publication physicsworld.com.[211]
There has been considerable public discussion of analogies and explanations for the Higgs particle and how the field creates mass,[212][213]including coverage of explanatory attempts in their own right and a competition in 1993 for the best popular explanation by then-UK Minister for Science Sir William Waldegrave[214]and articles in newspapers worldwide.
An educational collaboration involving an LHC physicist and a High School Teachers at CERN educator suggests that dispersion of light – responsible for the rainbow and dispersive prism – is a useful analogy for the Higgs field's symmetry breaking and mass-causing effect.[215]
Matt Strassler uses electric fields as an analogy:[216]
Some particles interact with the Higgs field while others don't. Those particles that feel the Higgs field act as if they have mass. Something similar happens in an electric field – charged objects are pulled around and neutral objects can sail through unaffected. So you can think of the Higgs search as an attempt to make waves in the Higgs field [create Higgs bosons] to prove it's really there.
A similar explanation was offered by The Guardian:[217]
The Higgs boson is essentially a ripple in a field said to have emerged at the birth of the universe and to span the cosmos to this day ... The particle is crucial however: It is the smoking gun, the evidence required to show the theory is right.
The Higgs field's effect on particles was famously described by physicist David Miller as akin to a room full of political party workers spread evenly throughout a room: The crowd gravitates to and slows down famous people but does not slow down others.[ab]He also drew attention to well-known effects in solid state physics where an electron's effective mass can be much greater than usual in the presence of a crystal lattice.[218]
Analogies based on drag effects, including analogies of "syrup" or "molasses" are also well known, but can be somewhat misleading since they may be understood (incorrectly) as saying that the Higgs field simply resists some particles' motion but not others' – a simple resistive effect could also conflict with Newton's third law.[220]
The Higgs boson is commonly misunderstood as responsible for mass, rather than the Higgs field, and as relating to most mass in the universe.[221][222][223]
There was considerable discussion prior to late 2013 of how to allocate the credit if the Higgs boson is proven, made more pointed as a Nobel prize had been expected, and the very wide basis of people entitled to consideration. These include a range of theoreticians who made the Higgs mechanism theory possible, the theoreticians of the 1964 PRL papers (including Higgs himself), the theoreticians who derived from these a working electroweak theory and the Standard Model itself, and also the experimentalists at CERN and other institutions who made possible the proof of the Higgs field and boson in reality. The Nobel prize has a limit of three persons to share an award, and some possible winners are already prize holders for other work, or are deceased (the prize is only awarded to persons in their lifetime). Existing prizes for works relating to the Higgs field, boson, or mechanism include:
Englert's co-researcher Robert Brout had died in 2011 and the Nobel Prize is not ordinarily given posthumously.[228]
Additionally Physical Review Letters' 50-year review (2008) recognised the 1964 PRL symmetry breaking papers and Weinberg's 1967 paper A model of Leptons (the most cited paper in particle physics, as of 2012) "milestone Letters".[87]
Following reported observation of the Higgs-like particle in July 2012, several Indian media outlets reported on the supposed neglect of credit to Indian physicist Satyendra Nath Bose after whose work in the 1920s the class of particles "bosons" is named[229][230](although physicists have described Bose's connection to the discovery as tenuous).[231]
In the Standard Model, the Higgs field is a four-component scalar field that forms a complex doublet of the weak isospin SU(2) symmetry:
while the field has charge +1/2 under the weak hypercharge U(1) symmetry.[232]
Note: This article uses the scaling convention where the electric charge, Q, the weak isospin, T3, and the weak hypercharge, YW, are related by Q = T3 + YW. A different convention used in most other Wikipedia articles is Q = T3 + 1/2YW.[233][234][235]
The Higgs part of the Lagrangian is[232]
where and are the gauge bosons of the SU(2) and U(1) symmetries, and their respective coupling constants, are the Pauli matrices (a complete set of generators of the SU(2) symmetry), and and , so that the ground state breaks the SU(2) symmetry (see figure).
The ground state of the Higgs field (the bottom of the potential) is degenerate with different ground states related to each other by a SU(2) gauge transformation. It is always possible to pick a gauge such that in the ground state . The expectation value of in the ground state (the vacuum expectation value or VEV) is then , where . The measured value of this parameter is ~246 GeV/c2.[126] It has units of mass, and is the only free parameter of the Standard Model that is not a dimensionless number. Quadratic terms in and arise, which give masses to the W and Z bosons:[232]
with their ratio determining the Weinberg angle, , and leave a massless U(1) photon, . The mass of the Higgs boson itself is given by
The quarks and the leptons interact with the Higgs field through Yukawa interaction terms:
where are left-handed and right-handed quarks and leptons of the ith generation, are matrices of Yukawa couplings where h.c. denotes the hermitian conjugate of all the preceding terms. In the symmetry breaking ground state, only the terms containing remain, giving rise to mass terms for the fermions. Rotating the quark and lepton fields to the basis where the matrices of Yukawa couplings are diagonal, one gets
where the masses of the fermions are , and denote the eigenvalues of the Yukawa matrices.[232]
Bernstein (1974) contains an accessible and comprehensive background and review of this area, see external links.the "radiation gauge" condition ∇⋅A(x) = 0 is clearly not covariant, which means that if we wish to maintain transversality of the photon in all Lorentz frames, the photon field Aμ(x) cannot transform like a four-vector. This is no catastrophe, since the photon field is not an observable, and one can readily show that the S-matrix elements, which are observable have covariant structures. ... in gauge theories one might arrange things so that one had a symmetry breakdown because of the noninvariance of the vacuum; but, because the Goldstone et al. proof breaks down, the zero mass Goldstone mesons need not appear. [emphasis in original]
[Q] Why do particle physicists care so much about the Higgs particle?[A] Well, actually, they don't. What they really care about is the Higgs field, because it is so important. [emphasis in original]
The Higgs field: So important it merited an entire experimental facility, the Large Hadron Collider, dedicated to understanding it.
In terms usually reserved for athletic achievements, news reports described the finding as a monumental milestone in the history of science.
Even in the most specialized circles, the new particle discovered in July is not yet being called the "Higgs boson". Physicists still hesitate to call it that before they have determined that its properties fit with those the Higgs theory predicts the Higgs boson has.
'We've never seen an elementary particle with spin zero', said Tony Weidberg, a particle physicist at the University of Oxford who is also involved in the CERN experiments.
Earth will likely be long gone before any Higgs boson particles set off an apocalyptic assault on the universe
[T]he bad news is that its mass suggests the universe will end in a fast-spreading bubble of doom. The good news? It'll probably be tens of billions of years.The article quotes Fermilab's Joseph Lykken: "[T]he parameters for our universe, including the Higgs [and top quark's masses] suggest that we're just at the edge of stability, in a "metastable" state. Physicists have been contemplating such a possibility for more than 30 years. Back in 1982, physicists Michael Turner and Frank Wilczek wrote in Nature that "without warning, a bubble of true vacuum could nucleate somewhere in the universe and move outwards ..."
[T]he Higgs' influence (or the influence of something like it) could reach much further. For example, something like the Higgs—if not exactly the Higgs itself—may be behind many other unexplained "broken symmetries" in the universe as well ... In fact, something very much like the Higgs may have been behind the collapse of the symmetry that led to the Big Bang, which created the universe. When the forces first began to separate from their primordial sameness—taking on the distinct characters they have today—they released energy in the same way as water releases energy when it turns to ice. Except in this case, the freezing packed enough energy to blow up the universe. ... However it happened, the moral is clear: Only when the perfection shatters can everything else be born.
Gilbert ... wrote a response to [Klein and Lee's paper] saying 'No, you cannot do that in a relativistic theory. You cannot have a preferred unit time-like vector like that.' This is where I came in, because the next month was when I responded to Gilbert's paper by saying 'Yes, you can have such a thing' but only in a gauge theory with a gauge field coupled to the current.
Sidney Coleman published in Science magazine in 1979 a citation search he did documenting that essentially no one paid any attention to Weinberg's Nobel Prize winning paper until the work of 't Hooft (as explicated by Ben Lee). In 1971 interest in Weinberg's paper exploded. I had a parallel personal experience: I took a one-year course on weak interactions from Shelly Glashow in 1970, and he never even mentioned the Weinberg–Salam model or his own contributions.
[A] global collaboration of more than 170 computing centres in 36 countries ... to store, distribute and analyse the ~25 Petabytes (25 million Gigabytes) of data annually generated by the Large Hadron Collider
It now links thousands of computers and storage systems in over 170 centres across 41 countries. ... The WLCG is the world's largest computing grid
{{cite arXiv}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)the statistical significance is not large enough to say anything conclusive. As of today what we see is consistent either with a background fluctuation or with the presence of the boson. Refined analyses and additional data delivered in 2012 by this magnificent machine will definitely give an answer
For the first time scientists have been able to analyse the dynamics of social media on a global scale before, during and after the announcement of a major scientific discovery.
Rolf Heuer, director of [CERN], said he is confident that "towards the middle of the year, we will be there."– Interview by AP, at the World Economic Forum, 26 January 2013.
'It's going to take another few years' after the collider is restarted to confirm definitively that the newfound particle is the Higgs boson.
quoting Lee's ICHEP 1972 presentation at Fermilab: "... which is known as the Higgs mechanism ..." and "Lee's locution" – his footnoted explanation of this shorthand.
Lee ... apparently used the term 'Higgs boson' as early as 1966 ... but what may have made the term stick is a seminal paper Steven Weinberg ... published in 1967 ... Weinberg acknowledged the mix-up in an essay in the New York Review of Books in May 2012.(See also original article in
The SSC, proposed by the U.S. Department of Energy in 1983, is a mind-bending project ... this gigantic laboratory ... this titanic project
... this titanic complex ...
Lederman, who considers himself an unofficial propagandist for the super collider, said the SSC could reverse the physics brain drain in which bright young physicists have left America to work in Europe and elsewhere.
Lederman, one of the principal spokesmen for the SSC, was an accomplished high-energy experimentalist who had made Nobel Prize-winning contributions to the development of the Standard Model during the 1960s (although the prize itself did not come until 1988). He was a fixture at congressional hearings on the collider, an unbridled advocate of its merits.
The possibility that the next big machine would create the Higgs became a carrot to dangle in front of funding agencies and politicians. A prominent American physicist, Leon lederman [sic], advertised the Higgs as The God Particle in the title of a book published in 1993 [...] Lederman was involved in a campaign to persuade the US government to continue funding the Superconducting Super Collider [...] the ink was not dry on Lederman's book before the US Congress decided to write off the billions of dollars already spent
Consider the early universe–a state of pure, perfect nothingness; a formless fog of undifferentiated stuff [...] 'perfect symmetry' [...] What shattered this primordial perfection? One likely culprit is the so-called Higgs field [...] Physicist Leon Lederman compares the way the Higgs operates to the biblical story of Babel [whose citizens] all spoke the same language [...] Like God, says Lederman, the Higgs differentiated the perfect sameness, confusing everyone (physicists included) [...] [Nobel Prizewinner Richard] Feynman wondered why the universe we live in was so obviously askew [...] Perhaps, he speculated, total perfection would have been unacceptable to God. And so, just as God shattered the perfection of Babel, 'God made the laws only nearly symmetrical'
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