Los artículos de ruptura de simetría de PRL de 1964 fueron escritos por tres equipos que propusieron enfoques relacionados pero diferentes para explicar cómo podría surgir la masa en las teorías de calibre local . Estos tres artículos fueron escritos por: Robert Brout y François Englert ; [1] [2] Peter Higgs ; [3] y Gerald Guralnik , C. Richard Hagen y Tom Kibble (GHK). [4] [5] Se les atribuye la teoría del mecanismo de Higgs y la predicción del campo de Higgs y el bosón de Higgs . Juntos, estos proporcionan un medio teórico por el cual se puede evitar el teorema de Goldstone (una limitación problemática que afecta a las primeras teorías de física de partículas modernas ). Mostraron cómo los bosones de calibre pueden adquirir masas distintas de cero como resultado de la ruptura espontánea de la simetría dentro de los modelos invariantes de calibre del universo. [6]
Como tales, estos forman el elemento clave de la teoría electrodébil que forma parte del Modelo Estándar de física de partículas , y de muchos modelos, como la Gran Teoría Unificada , que van más allá de ella. Los artículos que introducen este mecanismo fueron publicados en Physical Review Letters ( PRL ) y cada uno de ellos fue reconocido como artículo de referencia en la celebración del 50º aniversario de PRL . [7] Los seis físicos fueron galardonados con el Premio JJ Sakurai de Física Teórica de Partículas de 2010 por este trabajo; [8] Brout, Englert y Higgs recibieron el Premio Wolf de Física de 2004 ; [9] y en 2013 Englert y Higgs recibieron el Premio Nobel de Física . [10]
El 4 de julio de 2012, los dos experimentos principales del Gran Colisionador de Hadrones ( ATLAS y CMS ) del CERN confirmaron de forma independiente la existencia de una partícula previamente desconocida con una masa de aproximadamente125 GeV/ c 2 (aproximadamente 133 masas de protones, del orden de 10 −25 kg), lo que es "coherente con el bosón de Higgs" y se cree ampliamente que es el bosón de Higgs. [11]
Una teoría de calibre de partículas elementales es un marco potencial muy atractivo para construir la Gran Teoría Unificada de la física. Una teoría de este tipo tiene la propiedad muy deseable de ser potencialmente renormalizable (abreviatura para decir que todos los infinitos de cálculo encontrados pueden ser absorbidos consistentemente en unos pocos parámetros de la teoría). Sin embargo, tan pronto como se da masa a los campos de calibre, se pierde la renormalización y la teoría se vuelve inútil. La ruptura espontánea de la simetría es un mecanismo prometedor, que podría usarse para dar masa a las partículas de calibre vectoriales. Sin embargo, una dificultad significativa con la que uno se encuentra es el teorema de Goldstone , que establece que en cualquier teoría cuántica de campos que tenga una simetría rota espontáneamente debe aparecer una partícula de masa cero. Entonces surge el problema: ¿cómo se puede romper una simetría y al mismo tiempo no introducir partículas de masa cero no deseadas? La resolución de este dilema radica en la observación de que en el caso de las teorías de calibre, el teorema de Goldstone se puede evitar trabajando en el llamado calibre de radiación . Esto se debe a que la prueba del teorema de Goldstone requiere una covarianza de Lorentz manifiesta , una propiedad que no posee el medidor de radiación.
Los físicos de partículas estudian la materia formada por partículas fundamentales cuyas interacciones están mediadas por partículas de intercambio conocidas como portadores de fuerza . A principios de 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 se habían reformulado como teorías de campo en las que los objetos de estudio no son partículas y fuerzas, sino campos cuánticos y sus simetrías . [ cita requerida ] Sin embargo, se sabía que los intentos de unificar fuerzas fundamentales conocidas , como la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil, eran incompletos. Una omisión conocida 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 partículas masivas conocidas como sin masa. [12] El teorema de Goldstone, relacionado con las simetrías continuas dentro de algunas teorías, también parecía descartar muchas soluciones obvias, [13] ya que parecía mostrar que también tendrían que existir partículas de masa cero que "simplemente no se vieran". [14] Según Gerald Guralnik , los físicos "no entendían" cómo se podían superar estos problemas en 1964. [14] En 2014, Guralnik y Carl Hagen escribieron un artículo que sostenía que incluso después de 50 años todavía hay una incomprensión generalizada, por parte de los físicos y el Comité Nobel , sobre el papel del bosón de Goldstone . [15] Este artículo, publicado en Modern Physics Letters A , resultó ser el último trabajo publicado de Guralnik. [16]
El físico de partículas y matemático Peter Woit resumió el estado de la investigación en ese momento:
El mecanismo de Higgs es un proceso por el cual los bosones vectoriales pueden obtener masa en reposo sin romper explícitamente la invariancia de calibre , como un subproducto de la ruptura espontánea de la simetría. [6] [17] La teoría matemática detrás de la ruptura espontánea de la simetría fue concebida y publicada inicialmente dentro de la física de partículas por Yoichiro Nambu en 1960, [18] 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, [19] : 4–5 [20] y Abraham Klein y Benjamin Lee demostraron en marzo de 1964 que el teorema de Goldstone podría evitarse de esta manera en al menos algunos casos no relativistas y especularon que podría ser posible en casos verdaderamente relativistas. [21]
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; [1] por Peter Higgs en octubre de 1964; [3] y por Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble (GHK) en noviembre de 1964. [4] Higgs también escribió una respuesta publicada en septiembre de 1964 a una objeción de Walter Gilbert , [6] [22] que mostraba que si se calculaba dentro del medidor de radiación, el teorema de Goldstone y la objeción de Gilbert se volverían inaplicables. [Nota 1] (Higgs más tarde describió la objeción de Gilbert como la causa de su propio artículo. [23] ) Las propiedades del modelo fueron consideradas más a fondo por Guralnik en 1965, [24] por Higgs en 1966, [25] por Kibble en 1967, [26] y más adelante por GHK en 1967. [27] Los tres artículos originales de 1964 mostraron que cuando una teoría de calibre se combina con un campo adicional que rompe espontáneamente la simetría, los bosones de calibre pueden adquirir consistentemente una masa finita. [6] [17] [28] En 1967, Steven Weinberg [29] y Abdus Salam [30] 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 [31] (en sí mismo una extensión del trabajo de Julian Schwinger ), formando lo que se convirtió en el Modelo Estándar de la física de partículas. Weinberg fue el primero en observar que esto también proporcionaría términos de masa para los fermiones. [32] [Nota 2]
Sin embargo, los artículos seminales sobre la ruptura espontánea de simetrías de calibración fueron al principio en gran medida ignorados, 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 1971-1972, Martinus J, G, Veltman y Gerard 't Hooft demostraron que la renormalización de Yang-Mills era posible en dos artículos que cubrían campos sin masa y luego masivos. [32] Su contribución, y el trabajo de otros sobre el grupo de renormalización , fue finalmente "enormemente profunda e influyente", [33] pero incluso con todos los elementos clave de la teoría final publicada, todavía casi no hubo un interés más amplio. Por ejemplo, Sidney Coleman encontró en un estudio que "esencialmente nadie prestó atención" al artículo de Weinberg antes de 1971 [34] -ahora el más citado en física de partículas [35] - e incluso en 1970 según David Politzer , la enseñanza de Glashow sobre la interacción débil no contenía ninguna mención del trabajo de Weinberg, Salam o el propio Glashow. [ 33] En la práctica, afirma Politzer, casi todo el mundo se enteró 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. [33] De esta manera, a partir de 1971, el interés y la aceptación "explotaron" [33] y las ideas fueron rápidamente absorbidas por la corriente principal. [32] [33]
La mayoría de los estudiantes que han tomado un curso de electromagnetismo se han encontrado con el potencial de Coulomb . Básicamente establece que dos partículas cargadas se atraen o se repelen entre sí por una fuerza que varía según el cuadrado inverso de su separación. Esto es bastante inequívoco para partículas en reposo, pero si una u otra sigue una trayectoria arbitraria, surge la pregunta de si se debe calcular la fuerza utilizando las posiciones instantáneas de las partículas o las llamadas posiciones retardadas . Este último reconoce que la información no puede propagarse instantáneamente, sino que se propaga a la velocidad de la luz . Sin embargo, el calibre de radiación dice que se utilizan las posiciones instantáneas de las partículas, pero no viola la causalidad porque hay términos compensatorios en la ecuación de fuerza. En contraste, el calibre de Lorenz impone una covarianza manifiesta (y, por lo tanto, causalidad) en todas las etapas de un cálculo. Las predicciones de cantidades observables son idénticas en los dos calibres, pero la formulación del calibre de radiación de la teoría cuántica de campos evita el teorema de Goldstone. [27]
Los tres artículos escritos en 1964 fueron reconocidos como artículos de referencia durante la celebración del 50 aniversario de Physical Review Letters . [28] Sus seis autores también fueron galardonados con el Premio JJ Sakurai 2010 de Física Teórica de Partículas por este trabajo. [36] (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. [37] ) 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. [3] [4] 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 ]
Cada uno de estos artículos es único y demuestra diferentes enfoques para mostrar cómo surge la masa en las partículas de calibre. Con el paso de los años, las diferencias entre estos artículos ya no se entienden ampliamente, debido al paso del tiempo y la aceptación de los resultados finales por parte de la comunidad de física de partículas . Un estudio de los índices de citas es interesante: más de 40 años después de la publicación de 1964 en Physical Review Letters, hay poco patrón notable de preferencia entre ellos, y la gran mayoría de los investigadores en el campo mencionan los tres artículos fundamentales. [ 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". [3] ( Frank Close comenta que los teóricos de gauge 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. [38] : 154, 166, 175 ) En el artículo de GHK, el bosón no tiene masa y está desacoplado de los estados masivos. [4] En revisiones de 2009 y 2011, Guralnik afirma que en el modelo GHK el bosón no tiene masa solo en una aproximación de orden más bajo, pero no está sujeto a ninguna restricción y adquiere masa en órdenes superiores, y agrega que el artículo 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. [14] [5] [15] Los tres llegaron a conclusiones similares, a pesar de sus enfoques muy diferentes: el artículo de Higgs utilizó esencialmente técnicas clásicas, el de Englert y Brout 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 las que el teorema de Goldstone falla explícitamente. [6]
Además de explicar cómo los bosones vectoriales adquieren masa, el mecanismo de Higgs también predice la relación entre las masas de los bosones W y Z , así como sus acoplamientos entre sí y con los quarks y leptones del Modelo Estándar. [ cita requerida ] Posteriormente, muchas de estas predicciones se han verificado mediante mediciones precisas realizadas en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) y el Colisionador Lineal de Standford (SLC), lo que confirma de manera abrumadora que algún tipo de mecanismo de Higgs tiene lugar en la naturaleza, [39] pero aún no se ha descubierto la manera exacta en que sucede. [ cita requerida ] Se espera que los resultados de la búsqueda del bosón de Higgs proporcionen evidencia sobre cómo esto se realiza en la naturaleza. [ cita requerida ]
La teoría electrodébil resultante y el Modelo Estándar han predicho correctamente (entre otros descubrimientos) 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. [Nota 3] Muchos de los implicados acabaron ganando premios Nobel u otros premios de renombre. Un artículo de 1974 en Reviews of Modern Physics comentó 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". [40] En 1986 y de nuevo en los años 1990 se hizo posible escribir que entender y demostrar el sector de Higgs del Modelo Estándar era "el problema central hoy en día en la física de partículas". [41] [42]
Gilbert ... escribió una respuesta al artículo [de Klein y Lee] diciendo 'No, no se puede hacer eso en una teoría relativista. No se puede tener un vector de tiempo unitario preferido como ese'. Aquí es donde entré yo, porque el mes siguiente fue cuando respondí al artículo de Gilbert diciendo 'Sí, se puede tener tal cosa', pero solo en una teoría de calibre con un campo de calibre acoplado a la corriente.
{{cite journal}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )Sidney Coleman publicó en la revista
Science
en 1979 una búsqueda de citas que hizo documentando que esencialmente nadie prestó atención al artículo ganador del Premio Nobel de Weinberg hasta el trabajo de 't Hooft (como lo explicó Ben Lee). En 1971, el interés en el artículo de Weinberg explotó. Tuve una experiencia personal paralela: tomé un curso de un año sobre interacciones débiles con Shelly Glashow en 1970, y él nunca siquiera mencionó el modelo Weinberg-Salam ni sus propias contribuciones.