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Circep y Espina De Pescado

El Boson de Higgs

Visión teórica general

La particula llamada bosón de Higgs es un cuanto de uno de los componentes del campo de Higgs. En un espacio vacío, el campo de Higgs adquiere un valor esperado de vacío (VEV) diferente de cero que permanece constante en el tiempo y en todo lugar del universo. El VEV de un campo de Higgs es constante e igual a 246 GeV. La existencia de un VEV no nulo tiene una importancia fundamental: da una masa a cada partícula elemental, incluido el mismo bosón de Higgs. En particular, la adquisición espontánea de un VEV diferente de cero rompe la simetría gaugiana electrodébil, un fenómeno conocido como el mecanismo de Higgs. Este es el simple mecanismo capaz de dar masa a un bosón de gauge que es también compatible con la teoría de campo de gauge.

En el modelo estándar, un campo de Higgs consiste en dos campos neutrales y dos cargados. Los dos componentes cargados y uno del neutro son bosones de Goldstone, que no tienen masa y se convierten, respectivamente, en los componentes longitudinales de tercera polarización de los bosones W y Z (masivos). Lo cuántico de los restantes componentes neutrales corresponde a los bosones masivos de Higgs. Un campo de Higgs es un campo escalar, el bosón de Higgs tiene un espín cero y no tiene momento angularintrínseco. El bosón de Higgs es también su propia antipartícula y tiene simetría CPT.

El modelo estándar no predice el valor de la masa del bosón de Higgs. Si la masa de este bosón es entre 115 y 180 GeV, entonces el modelo estándar puede ser válido a todas las escalas energéticas hasta la escala de Planck (1016 TeV). Muchas teorías están a la expectativa de una nueva física más allá del modelo estándar que podría surgir a escalas de TeV, basadas en las carencias del modelo estándar. La escala más alta posible de masa permitida en el bosón de Higgs (o en alguna ruptura espontánea de simetría electrodébil) es de un TeV; tras ese punto el modelo estándar se vuelve inconsistente sin un mecanismo de ese tipo porque la unicidad es violada en ciertos procesos de dispersión. Muchos modelos de supersimetría predicen que el bosón de Higgs tendrá una masa sólo ligeramente por encima de los actuales límites experimentales, a unos 120 GeV o menos.

Investigación experimental

Una simulación del detector CMS delGran Colisionador de Hadrones, que muestra cómo se prevé que sean las trazas del bosón de Higgs.

En julio de 2012 el CERN confirmó con más de un 99% de probabilidad la existencia del bosón de Higgs8 fruto de los esfuerzos de los grandes laboratorios de investigación como el CERN o elFermilab. Los datos obtenidos permiten estimar un valor mínimo experimental de masa 114.4 GeV para el bosón de Higgs del modelo estándar, con un nivel de confianza del 95%.9Experimentalmente se ha registrado un pequeño número de eventos no concluyentes en el colisionador LEP en el CERN. Estos han podido ser interpretados como resultados de los bosones de Higgs, pero la evidencia no es concluyente.10 Se espera que el Gran Colisionador de Hadrones, ya construido en el CERN, pueda confirmar o desmentir la existencia de este bosón. El LHC (Large Hadron Collider), con un anillo de 27 Km. de circunferencia, fue encendido el 10 de septiembre de 2008, como estaba previsto, pero un fallo en el sistema de enfriamiento que debe mantener los imanes a una temperatura aproximada de -271,3 °C detuvo el experimento. El 20 de noviembre del 2009 volvió a ser encendido operando en el rango de 450GeV a 2.23 TeV. De nuevo fue apagado, en este caso para realizar ajustes y el 30 de marzo de 2010 volvió a ser puesto en marcha esta vez a potencia de 3,5 TeV. Durante el año 2012 alcanzará los 4 TeV, tras lo que volverá a hacer una parada de alrededor de 20 meses. Se espera que en 2014 alcance los 7 TeV.

La búsqueda del bosón de Higgs es también el objetivo de ciertos experimentos del Tevatrón en el Fermilab.

Alternativas al mecanismo de Higgs para la ruptura espontánea de simetría electrodébil

Desde los años en los que fue propuesto el bosón de Higgs han existido muchos mecanismos alternativos. Todas las otras alternativas usan una dinámica que interactúa fuertemente para producir un valor esperado del vacío que rompa la simetría electrodébil. Una lista parcial de esos mecanismos alternativos es:

Observación de una resonancia en los 115 GeV

En una nota interna del CERN, del 21 de abril de 2011, se contextualizaba el rumor de que los físicos del LHC habían detectado por primera vez el bosón de Higgs.

La nota interna habla de la observación de una resonancia en los 115 GeV, justo la clase de fenómeno que se esperaría detectar si se hubiera encontrado un bosón de Higgs en ese rango de energía. Sin embargo, el elevado número de eventos observados, hasta treinta veces más de los predichos en el modelo estándar de física de partículas, sorprendía a los propios investigadores.13

El 4 de Julio de 2012, el CERN comunicó con la prescencia de varios cientificios, incluyendo al propio téorico del tema Higgs, que había detectado con un 99% de probabilidad el Bosón de Higgs mediante el colisionador de hadrones. Inclusive tratarían de entender que tipo si así fuere de Bosón de Higgs era. Dos equipos independientes en el CERN llegaron a conclusiones similares: El CMS con 2,100 científicos y el Atlas con 3,000 investigadores. Rolf Heuer, director del CERN, dijo “Tenemos un descubrimiento. Hemos observado una nueva partícula que concuerda con un bosón de Higgs” y “Concuerda con un bosón de Higgs como se requiere para el modelo estándar”. La frase “Partícula de Dios” fue acuñada por el físico Leon Lederman, ganador del Premio Nobel para explicar de manera práctica la importancia y materia prima que es la partícula sub-atómica que explica la masa en el Universo.

Masa hipotética del bosón de Higgs

La masa del bosón de Higgs se expresa en función de λ y del valor de la escala de ruptura de simetría, υ, como:

\mathrm{m_H^2} = 2 \lambda \upsilon^2

La medida de la anchura parcial de la desintegración:

\mu \rightarrow \nu_\mu \bar{\nu_\mathrm{e}}\mathrm{e}

a bajas energías en el SM permite calcular la constante de Fermi, GF, con gran precisión. Y puesto que:

\upsilon = (\sqrt{2}\mathrm{G_F})^{-\frac{1}{2}}

se obtiene un valor de υ = 246 GeV. No obstante el valor de λ es desconocido y por tanto la masa del bosón de Higgs en el SM es un parámetro libre de la teoría.

En la ficción

En la película Solaris protagonizada por George Clooney y Natascha McElhone se teoriza que los visitantes que materializa el océano viviente del planeta estarían formados por partículas subatómicas estabilizadas por un campo de Higgs.

En la película Ángeles y demonios, basada en el libro del mismo nombre (del autor Dan Brown), se menciona al bosón de Higgs como “la partícula de Dios”.

En el libro de ciencia ficción Recuerdos del futuro, escrita por Robert J. Sawyer (1999), dos científicos desatan una catástrofe a nivel mundial mientras tratan de encontrar el esquivo bosón de Higgs.

En la serie El barco se habla del bosón de Higgs como la Partícula de Dios.

En el capítulo 21 de la 5° temporada (The Hawking Excitation) de la serie The Big Bang TheorySheldon Cooper cree haber descubierto una prueba de la existencia del bosón de Higgs.

Véase también

Referencias

  1.  ¿Qué es el Bosón de Higgs?
  2.  ATLAS and CMS experiments present Higgs search status, diciembre de 2011, CERN
  3.  [ 13/12/2011 Público (España)
  4.  «CERN Press Release: CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson» (en inglés) (04-06-2012). Consultado el 04-06-2012.
  5.  Global Conservation Laws and Massless Particles
  6.  Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons
  7.  P. Higgs (2001), review lecture “My life as a Boson”.
  8.  «El CERN halla la ‘partícula de Dios’ que explica por qué existe la materia». Consultado el 04 de juio de 2012.
  9.  «Tevatron collider yields new results on subatomic matter, forces».
  10.  Searches for Higgs Bosons (pdf), from W.-M. Yao et al.(2006). «Review of Particle Physics». J Phys. G 33:  pp. 1.
  11.  S. Dimopoulos and L. Susskind (1979). «Mass Without Scalars». Nucl.Phys.B 155:  pp. 237-252.
  12.  L. F. Abbott and E. Farhi (1981). «Are the Weak Interactions Strong?». Phys.Lett.B 101:  pp. 69.
  13.  abc (27 abril de 2011). «resonancia en los 115 GeV» (en español). Consultado el 04 de mayo de 2011.

Bibliografía adicional

Enlaces externos

In 1993, the UK Science Minister, William Waldegrave, Baron Waldegrave of North Hill|William Waldegrave, challenged physicists to produce an answer that would fit on one page to the question “What is the Higgs boson, and why do we want to find it?”

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