Bosón de Higgs

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Una traza hipotética del bosón de Higgs en una colisión protón-protón simulada. El bosón decae casi inmediatamente en los dos chorros de hadrones y dos electrones, visibles como líneas.
Composición	Partícula elemental
Familia	Bosón
Estado	Parcialmente confirmada. Una partícula «constante con» el bosón de Higgs ha sido formalmente descubierta, pero a partir de julio de 2012, los científicos están siendo cuidadosos para afirmar si es formalmente identificada como el bosón de Higgs.[1]
Símbolo(s)	H
Teorizada	R. Brout, F. Englert, P. Higgs, G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble (1964)
Descubierta	Experimento ATLAS y CMS (julio de 2012)[1]
Tipos	1 en el modelo estándar; 5 o más en los modelos supersimétricos.
Masa	125.3±0.6 GeV/c2 ∼126.5 GeV/c2[1]
Carga eléctrica	0
Espín	0

En el modelo estándar de la física de partículas, el bosón de Higgs, llamado a veces como el bosón de Brout-Englert-Higgs^[2] o el bosón BEH^[3] , es una hipotética partícula elemental, un bosón, que constituye el cuanto del campo de Higgs. Tanto él como su campo asociado están relacionados con el origen de la masa de las partículas elementales. En la cultura popular, el bosón de Higgs es también llamado la «partícula de Dios», un nombre no gustado por la mayoría de los científicos, publicado por primera vez en el libro La partícula divina: si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta? del premio Nobel de Física Leon Lederman, donde el autor afirma que el descubrimiento de la partícula es crucial para entender finalmente la estructura de la materia.
La existencia del bosón de Higg fue predecido en 1964 para explicar el mecanismo de Higgs —el mecanismo por el cual las partículas elemantales entregan masa. ^{[Note 1]} Mientras el mecanismo de Higgs se afirma que existe, el bosón mismo —la piedra angular de la teoría principal— no ha sido observado y su existencia no está confirmada. Su provisional descubrimiento en 2012, quizás valida el modelo estándar como esencialmente correcto, ya que es la partícula elemental final predicha y requerida por el modelo estándar el cual aún no ha sido observada a través de experimentos de física de partículas.^[4] También es posible que fuentes alternativas del mecanismo de Higgs no necesite el bosón de Higgs, y serían considerados si la existencia del bosón de Higgs fuese descartada. En inglés, es conocido como Higgsless model (el modelo sin Higgs).
El bosón de Higgs viene del apellido de Peter Higgs, quien fue uno de los seis autores en los años 60 en escribir los estudios innovadores que tratan sobre lo que ahora se conoce como el mecanismo de Higgs y describió sobre la relación del campo y el bosón de Higgs. Técnicamente, es el proceso excitante cuántico del campo de Higgs, y el valor distinto de cero del estado fundamental de este campo entrega masa a las otras partículas elementales, tales como los cuarks y electrones, a través del mecanismo de Higgs. El modelo estándar fija completamente las propiedades del bosón de Higgs, excepto su masa. Se espera que no tenga un espín y ninguna carga eléctrica o de color, y que interactúa con las otras partículas a través de la interacción débil y las interacciones del tipo Yukawa entre varios fermiones y el campo de Higgs.
Debido que el bosón de Higgs es una partícula muy grande y decae casi inmediatamente cuando es creado, sólo un acelerador de partículas de mucha energía puede observarlo y anotarlo. Los experimentos para confirmar y determinar la naturaleza del bosón de Higgs usando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en CERN iniciaron a inicios de 2010, y estuvieron funcionando en Tevatron de Fermilab hasta su cierre a finales de 2011. La consistencia matemática del modelo estándar requiere que cualquier mecanismo capaz de generar las masas de las partícula elementales se vuelvan visibles en energías superiores a 1.4 TeV;^[5] por lo tanto, el LHC (diseñado para colisionar dos emisiones de protón de 7 TeV, pero actualmente usa 4 TeV en cada uno) fue construido para responder las preguntas de que si o no existe el bosón de Higgs.^[6]
El 4 de julio de 2012 se presentaron en el CERN los resultados preliminares de los análisis conjuntos de los datos tomados por el LHC en 2011 y 2012. Los dos principales experimentos del acelerador (ATLAS y CMS) anunciaron la observación de una nueva partícula «compatible con el bosón de Higgs», con una masa de unos 125 GeV/c². El estudio de las propiedades de la nueva partícula, para confirmar si se trata efectivamente del bosón u otra posibilidad, necesita aún más tiempo y datos.^[1]

Contenido 1 Introducción general 2 Historia 3 Visión teórica general 4 Masa hipotética del bosón de Higgs 4.1 Alternativas 5 Investigación experimental 5.1 Observación de una resonancia en los 115 GeV 6 En la ficción 7 Véase también 8 Notas 9 Referencias 9.1 Bibliografía adicional 10 Enlaces externos

 Introducción general

En la actualidad, prácticamente todos los fenómenos subatómicos conocidos quedan explicados mediante el modelo estándar, una teoría ampliamente aceptada sobre las partículas elementales y las fuerzas entre ellas. Sin embargo, en la década de 1960, cuando dicho modelo aún se estaba desarrollando, se observaba una contradicción aparente entre dos fenómenos. Por un lado, la fuerza nuclear débil entre partículas subatómicas podía explicarse mediante leyes similares a las del electromagnetismo –en su versión cuántica–. Por otro lado, dichas leyes implican que las partículas que actúen como intermediarias de la interacción –el fotón en el caso del electromagnetismo, las partículas W y Z en el caso de la fuerza débil– deben ser no masivas. Sin embargo, en base a los datos experimentales, los bosones W y Z –que sólo eran una hipótesis entonces–, habían de ser masivos.
En 1964 tres grupos de físicos publicaron de manera independiente una solución a este problema, que reconciliaba dichas leyes con la presencia de la masa. Esta solución, denominada posteriormente mecanismo de Higgs, explica la masa como el resultado de la interacción de las partículas con un campo que permea el vacío, denominado campo de Higgs. Peter Higgs fue en solitario uno de los proponentes de dicho mecanismo. En su versión más sencilla, este mecanismo implica que debe existir una nueva partícula asociada con las vibraciones de dicho campo, el bosón de Higgs. El nombre «bosón» hace referencia a una de las propiedades de esta partícula.
El modelo estándar quedó finalmente constituido haciendo uso de este mecanismo. En particular, todas las partículas masivas que lo constituyen interaccionan con este campo, y reciben su masa de él. Sin embargo, la existencia del bosón de Higgs es la única parte del mismo que aún necesita ser demostrada. Hasta la década de 1980 ningún experimento tuvo la energía necesaria para comenzar a buscarlo, dado que la masa que se estimaba que podría tener era demasiado alta –cientos de veces la masa del protón–. El Gran Colisionador de Hadrones o LHC, inaugurado en 2008, fue construido con el objetivo principal de encontrarlo.
A finales de 2011, dos de los experimentos llevados a cabo en el LHC aportaron indicios de la existencia del bosón alrededor de 125 GeV/c² –unas 125 veces la masa del protón–. En julio de 2012, el CERN anunció la detección de una nueva partícula con propiedades consistentes con las esperadas para el bosón de Higgs.^[1]

Los seis autores de las ponencias PRL de 1964, quienes recibieron el Premio Sakurai por su trabajo. De izquierda a derecha: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout. A la derecha: Higgs

Los físicos de partículas creen que la materia está hecha de partículas fundamentales cuyas interacciones están mediadas por partículas de intercambio conocidas como partículas portadoras. A comienzos de la década de 1960 habían sido descubiertas o propuestas un número de estas partículas, junto con las teorías que sugieren cómo se relacionaban entre sí. Sin embargo era conocido que estas teorías estaban incompletas. Una omisión era que no podían explicar los orígenes de la masa como una propiedad de la materia. El teorema de Goldstone, relacionando con la simetría continua dentro de algunas teorías, también parecían descartar muchas soluciones obvias.[9]
El mecanismo de Higgs es un proceso mediante el cual los bosones vectoriales puede obtener masa invariante sin romper explícitamente invariancia de gauge. La propuesta de ese mecanismo de ruptura espontánea de simetría fue sugerida originalmente en 1962 por Philip Warren Anderson [10] y, en 1964, desarrollada en un modelo relativista completo de forma independiente y casi simultáneamente por tres grupos de físicos: por François Englert y Robert Brout; [11] por Peter Higgs; [12] y por Gerald Guralnik, C. R. Hageny Tom Kibble (GHK). [13] Las propiedades del modelo fueron adicionalmente consideradas por Guralnik en 1965 [14] y Higgs en 1966. [15] Los papeles mostraron que cuando una teoría de gauge es combinada con un campo adicional que rompe espontáneamente la simetría del grupo, los bosones de gauge pueden adquirir consistentemente una masa finita. En 1967, Steven Weinberg y Abdus Salam fueron los primeros en aplicar el mecanismo de Higgs a la ruptura de la simetría electrodébil y mostraron cómo un mecanismo de Higgs podría ser incorporado en la teoría electrodébil de Sheldon Glashowde,[16][17][18] en lo que se convirtió en el modelo estándar de física de partículas.
Los tres papeles escritos en 1964 fueron reconocidos como un hito durante la celebración del aniversario 50º de la Physical Review Letters. [19] Sus seis autores también fueron galardonados por su trabajo con el Premio de J. J. Sakurai para física teórica de partículas. [20] (el mismo año también surgió una disputa; en el evento de un Premio Nobel, hasta 3 científicos serían elegibles, con 6 autores acreditados por los papeles). [21] Dos de los tres papeles del PRL (por Higgs y GHK) contenían ecuaciones para el hipotético campo que eventualmente se conocería como el campo de Higgs y su hipotético cuanto, el bosón de Higgs. El papel subsecuente de Higgs, de 1966, mostró el mecanismo de decaimiento del bosón; sólo un bosón masivo puede decaer y las desintegraciones pueden demostrar el mecanismo.
En el papel de Higgs el bosón es masivo, y en una frase de cierre Higgs escribe que "una característica esencial" de la teoría "es la predicción de multipletes incompletos de bosones escalares y vectoriales". En el papel de GHK el bosón no tiene masa y está desacoplado de estados masivos. En los exámenes de 2009 y 2011, Guralnik afirma que en el modelo GHK el bosón es sólo en una aproximación de orden más bajo, pero no está sujeta a ninguna restricción y adquiere masa a órdenes superiores y agrega que el papel de GHK fue el único en mostrar que no hay ningún bosón de Goldstone sin masa en el modelo y en dar un completo análisis del mecanismo general de Higgs.[22][23]
Además de explicar cómo la masa es adquirida por bosones de vector, 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 el modelo estándar de quarks y leptones. Posteriormente, muchas de estas predicciones han sido verificados por precisas mediciones en los colisionadores LEP y SLC, abrumadoramente confirmando que algún tipo de mecanismo de Higgs tienen lugar en la naturaleza,[24] pero aún no se ha descubierto la manera exacta por la que sucede. Se espera que los resultados de la búsqueda del bosón de Higgs proporcione evidencia acerca de cómo esto es realizado en la naturaleza.

Resumen de las interacciones entre las partículas del modelo estándar.

El 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 angular intrínseco. 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.

 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:

La medida de la anchura parcial de la desintegración:

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

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.

 Alternativas

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:

• Technicolor;^[7] es la clase de modelo que intenta imitar la dinámica de la fuerza fuerte como camino para romper la simetría electrodébil.
• El modelo de Abbott-Farhi; de composición de los bosones de vectores W y Z.^[8]
• Condensados de quarks top.

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

El 4 de julio del 2012. el CERN confirmó con más de un 99% de probabilidad la existencia del bosón de Higgs^[9] fruto de los esfuerzos de los grandes laboratorios de investigación como el CERN o el Fermilab. 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%.^[10] Experimentalmente 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.^[11] 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 450 GeV 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.

 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.^[12]
El 4 de Julio de 2012, el CERN comunicó con la presencia de varios cientificios, incluyendo al propio téorico del tema Higgs, que había detectado con un 99,99994% 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.