El Bosón de Higgs

Todas las fuerzas conocidas en el universo son manifestaciones de cuatro fuerzas fundamentales, las fuerzas fuerte, electromagnética, débil, y gravitacional. Pero ¿por qué cuatro?. ¿Por qué no una fuerza principal? Los que se unieron en la búsqueda de una fuerza unificada maestra, declararon que el primer paso hacia la unificación, se había logrado en 1983 con el descubrimiento de las partículas W y Z, los bosones vectoriales intermedios. Esto trajo la verificación experimental de partículas cuya predicción ya había contribuido al premio Nobel otorgado a Weinberg, Salam y Glashow en 1979. La combinación de las fuerzas débil y electromagnética en una fuerza unificada "electrodébil", constituyó un gran avance en la teoría, y proporcionó un gran ánimo para seguir adelante con el siguiente paso, la "gran unificación" necesaria para incluir la interacción fuerte.

Si bien la unificación electrodébil fue aclamada como un gran paso adelante, quedaba un problema conceptual importante. Si las fuerzas débiles y electromagnéticas son parte de la misma fuerza electrodébil, ¿por qué la partícula de intercambio de la interacción electromagnética, el fotón, no tiene masa, mientras que las W y Z tienen masas de más de 80 veces la de un protón! Las fuerzas electromagnética y débil ciertamente no tienen el mismo aspecto en el universo actual de baja temperatura, por lo que debe haber habido algún tipo de ruptura espontánea de la simetría cuando el universo caliente se enfrió lo suficiente, esas energías de partículas cayeron por debajo de 100 GeV. Las teorías atribuyen la ruptura de la simetría a un campo llamado campo de Higgs, y se requiere la mediación de un nuevo bosón, el bosón de Higgs.

Ilustración cortesía del Fermilab, el experimento D0.

Las primeras fórmulas de las teorías, estimaban que el bosón de Higgs tendría una energía de masa superior a 1 TeV, lo que hace que las energías para el descubrimiento sean casi inalcanzable en la tierra. Ahora, desde el descubrimiento del quark top, hay una evidencia tentadora de que el bosón de Higgs puede tener energías en el rango de unos pocos cientos de GeV, y por lo tanto dentro de la gama de los aceleradores actuales. En el Fermilab, los datos de la instalación del detector D0 se utilizan con las masas de la W y el quark top, para estimar la masa del bosón de Higgs. Las sugerencias de que pueda tener una masa inferior a 200 GeV, se han convertido en una de las altas prioridades en la física de altas energías.

La búsqueda del bosón de Higgs fue uno de los objetivos de alta prioridad del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. A finales de 2011, los resultados del LHC parecían limitar el Higgs a estar entre 114 y 145 GeV si se ajustaba al modelo estándar de la física de partículas. Luego, en 2012, los detectores Atlas y CMS encontraron un pico a 125 GeV, y para 2013 había confianza en que se había encontrado un bosón de Higgs.

La Evidencia del Atlas para el Higgs

Uno de los objetivos más importantes del detector ATLAS y el detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones era buscar el bosón de Higgs. Los experimentos anteriores habían sugerido que el Higgs podría tener una masa inferior a 200GeV y podría estar dentro del rango del detector Atlas. El 4 de julio de 2012, los detectores ATLAS y CMS en el LHC informaron de la evidencia de una partícula consistente con el bosón de Higgs a alrededor de 125GeV o 133 veces la masa de un protón. Este y los estudios posteriores se informan en el boletín Atlas del 4 de julio de 2018. La partícula se detectó por su decaimiento en dos fotones y su decaimiento en cuatro leptones. Estos experimentos mostraron que las propiedades de la partícula y sus interacciones con otras partículas coincidían con las propiedades proyectadas para el bosón de Higgs. En marzo de 2013, el CERN anunció que la nueva partícula era de hecho un bosón de Higgs, y dos de los físicos teóricos involucrados, Peter Higgs y Francois Englert, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física por sus contribuciones.

Un boletín del Atlas del 26 de octubre de 2017 describió la evidencia del bosón de Higgs en asociación con dos quarks top.

Este gráfico que muestra un ejemplo de los datos del bosón de Higgs es del boletín Atlas del 4 de julio de 2018. Además del pico de Higgs a 125GeV, hay un pico a aproximadamente 90GeV que está etiquetado para indicar un decaimiento del Higgs a un par de bosones Z (ver corriente neutral) y un decaimiento adicional a cuatro leptones. los 90GeV está de acuerdo con la masa del bosón vectorial intermedio Z.

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Esto está modificado de la Figura 4 del Boletín del Atlas. Muestra datos del Atlas y CMS para representar la proporcionalidad de la masa de las partículas con la fuerza de interacción con el campo de Higgs. Los continuos estudios pasados los descubrimientos de 2013 han demostrado que el bosón de Higgs es consistente con las propiedades predichas: espín cero, sin carga eléctrica, sin interacción de fuerza fuerte, paridad par. Incluso las proporciones de los caminos de decaimiento han coincidido con las predichas.

La colaboración del Atlas y CMS continúa trabajando en la exploración del Modelo Estándar de la física de partículas, y en un Boletín del 25 de octubre de 2019 se informa de una masa para el Higgs de 125,35 +/- 0,15 GeV.

El Campo de Higgs

Se ha prestado mucha atención a la búsqueda y descubrimiento del bosón de Higgs, que sirve como confirmación del mecanismo de Brout-Englert-Higgs (BEH) por el cual las partículas elementales obtienen masa. La teoría visualiza al espacio como lleno con el campo de Higgs, y sugiere que las partículas elementales como los leptones y los quarks obtienen su masa por interacción con el campo de Higgs. Una masa mayor para una partícula implica que tiene una interacción más fuerte con el campo de Higgs. Los estudios de Atlas representan una relación lineal de la masa de las partículas con la fuerza de la interacción con el campo de Higgs. Esto no implica que las partículas compuestas (hadrones) obtengan toda su masa de la interacción con el campo de Higgs: la mayor parte de la masa de un hadrón como un protón surge de las fuertes interacciones de fuerza.

Hay muchos tipos de campos, tales como campos eléctricos y campos magnéticos, y uno supondría que a una gran distancia de las fuentes de estos campos, sus valores se acercarían a cero. Pero Carroll describe el campo de Higgs como "atrapado lejos de cero". Todo el espacio se considera impregnado por este campo que tiene un valor distinto de cero. Carroll cita este valor de campo de estado fundamental como 246 GeV. Esto se llama el "valor de expectativa de vacío" del campo de Higgs. "El bosón de Higgs, -la partícula descubierta en el LHC-, es una vibración en ese campo alrededor de su valor promedio". "El bosón de Higgs, la partícula descubierta en el LHC, es una vibración en ese campo alrededor de su valor promedio". El campo de Higgs "llena el espacio, rompe la simetría, da masa e individualidad a las otras partículas del Modelo Estándar".

Las ideas de simetría y ruptura de simetría en este contexto no se explican fácilmente. En la interacción débil, tenemos los bosones W⁺, W^-, y Z con la afirmación de que el bosón de Higgs en si es el cuarto miembro de un cuarteto de bosones. Se dice que aproximadamente 10^-12 segundos después del Big Bang, hubo una ruptura espontánea de la simetría de un estado en el que los cuatro bosones no tenían masa y viajaban a la velocidad de la luz (es decir, simétrica). La interacción con el campo de Higgs les dio sus masas y carácter distintivos.

El campo de Higgs es crítico como fuente de la estructura básica de la materia tal como la conocemos. Tal materia consiste en átomos con pequeños núcleos rodeados por regiones mucho más grandes del espacio determinadas por los electrones de los átomos. La materia ordinaria que incluye los elementos de la tabla periódica se compone de solo tres tipos de fermiones, el electrón y los quarks up y down. Son responsables de la gran diferencia en escala entre el núcleo y el átomo. En mecánica cuántica, un electrón puede considerarse un paquete de ondas que obtiene su masa relativamente pequeña al interactuar con el campo de Higgs. La pequeña energía de masa se traduce en una longitud de onda característica relativamente larga, por lo que el paquete se extiende en el espacio. Esto le da al átomo en su conjunto un tamaño relativamente grande. Los quarks up y down que forman protones y neutrones en el núcleo tienen una masa relativamente mucho mayor debido a una interacción más fuerte con el campo de Higgs. Las longitudes de onda características de sus paquetes de ondas mecánicas cuánticas son mucho más pequeñas. Forman el núcleo como una entidad mucho más pequeña que el átomo. Este enfoque de la escala del núcleo y el átomo debe ser comparada con el estudio sobre el confinamiento de partículas y el principio de incertidumbre.