domingo, julio 08, 2012

¿Qué es el Higgs? | Cuentos Cuánticos

¿Qué es el Higgs?


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Ahora que estamos en plena resaca del descubrimiento del Higgs en el LHC podemos preguntarnos ¿Qué es el Higgs?. Hay magníficas entradas al respecto en muchos blogs que han tratado de explicar el Higgs y su descubrimiento, valgan como ejemplos:
CERN encuentra el bosón de Higgs en Conexión Causal
En esta entrada vamos a intentar explicar qué es el Higgs, para qué es necesario y qué problemas resuelve. Intentaré hacer una discusión simple, posiblemente no tan precisa como las entradas anteriores, pero que deje entrever la importancia de este descubrimiento.

El modelo estándar

Como hemos dicho en varias ocasiones el modelo estándar es la mejor explicación que tenemos sobre la mesa sobre las propiedades e interacciones de las partículas elementales.
Este modelo se construye sobre la base de dos ideas:
-  Hay cantidades conservadas como la energía, el momento, el número leptónico y bariónico, etc.
-  Las interacciones son debidas a la imposición de una cosa que se conoce como simetría gauge.  En este blog hemos discutido sobre qué es una teoría gauge de forma visual en esta entrada: Gauge esto, Gauge lo otro… ¿qué es una teoría gauge?
La importancia de esta idea de simetría gauge es enorme y se puede resumir en los siguientes puntos:
  1. Como es conocido, porque se habla mucho por ahí, las teorías físicas sobre partículas elementales se empeñan en darnos infinitos que molestan un poco. Pues bien, las teorías que permiten eliminar estos infinitos son precisamente las que tienen simetría gauge.
  2. Además al imponer la simetría gauge a una teoría esta nos regala dos cosas. Por un lado nos identifica las cargas de las distintas interacciones, por ejemplo nos dice que la interacción electromagnética es debida a dos cargas que llamamos eléctricas positivas o negativas. Pero es que además nos dice que las interacciones tienen que existir.
Por estos motivos los físicos adoran las teorías gauge, por un lado nos permiten hacer cálculos sin que salgan infinitos, o que si salen podamos eliminarlos (renormalización). Y por otro lado la imposición de la simetría gauge nos obliga a que haya interacciones (electromagnética, débil y fuerte) con sus cargas asociadas (carga eléctrica, carga débil o tipo de partícula, carga de color, respectivamente).

Las sorpresas del modelos estándar

Para empezar el modelo estándar identifica tres interacciones que se pueden formular como teorías gauge:
  1. El electromagnetismo que se da entre cargas eléctricas.
  2. La interacción débil que se da entre distintos tipos de partículas. Es decir esta interacción cambia una partícula en otra. Por ejemplo puede cambiar un quark d en un quark u.
  3. La interacción fuerte que a niveles fundamentales se da entre quarks y es debida a tres cargas que llamamos color y son el azul, el verde y el rojo.
La visión que nos dan estas teorías es la siguiente:
  • Cada interacción tiene una o varias partículas cuyo intercambio produce la interacción.
Por ejemplo en el electromagnetismo dos partículas se atraen o se repelen intercambiando fotones.  En la interacción débil el cambio de una partícula en otra se produce intercambiando unas partículas llamadas Z (bosón neutro) y W (que hay de dos tipos cargado positivamente y cargado negativamente). En la interacción fuerte se intercambian gluones que son bosones que cambian el color de los quarks cuando estos se encuentran con los gluones (cambian su carga fuerte, no son colores de verdad).
La sorpresa viene de dos lados:
  1. Al imponer la simetría gauge las partículas del modelo estándar tienen que ser todas partículas sin masa en reposo.  Es decir, todas se moverían a la velocidad de la luz. Si en la teoría forzamos a que las partículas tengan masa la simetría gauge deja de funcionar.
  2. Además a una determinada energía (100GeV) el electromagnetismo y la interacción débil son la misma interacción, esto quiere decir que fotones y bosones W y Z tienen el mismo comportamiento. Este es un ejemplo de unificación.
Esto es un problema porque las teorías gauge identifican las interacciones que vemos en los laboratorios pero nos dicen que las partículas tienen que tener masa nula. Así que por un lado identifican bien las interacciones y por otro no admiten que las partículas tengan masa aunque sabemos que la tienen. Y otro problema es que en nuestras energía cotidianas electromagnetismo e interacción débil son cosas muy distintas, con la primera tenemos corrientes eléctricas y con la segunda tenemos procesos de radioactividad.
El problema es:
¿Hay alguna forma de romper la igualdad entre electromagnetismo e interacción débil de forma que se preserve la simetría gauge y además obtengamos masas de las partículas que sabemos que la tienen?

La solución está en el Higgs

La clave de este asunto es notar que hay un ingrediente del que no hemos hablado, el campo de Higgs. Lo maravilloso de este campo es que a determinada energía es totalmente insensible al resto de campos (fotones, bosones W y Z, electrones, etc). Esto se traduce en que la situación es simétrica, lo que quiere decir que fotones, partículas W y Z se comportan de la misma manera.
Sin embargo, al bajar la energía del universo el campo de Higgs rompe la simetría. Una idea pedestre de esto la podéis encontrar aquí:
Y una discusión algo más formal aquí:
La idea es simple:
  1. A altas energías el Higgs tiene una energía alta pero el valor del campo es nulo. Es decir, el campo vale cero y por tanto el resto de partículas no pueden interactuar con él.
  2. Cuando baja la energía del universo el Higgs ya no puede estar en esa energía alta porque es inestable y decae a un valor donde el campo deja de ser nulo (aparecen bosones de Higgs) y su energía va a su mínimo.

Cuando el Higgs baja a su estado de mínima energía aparece un valor no nulo del campo. Pero este valor se puede elegir de forma “aleatoria”. Este proceso se conoce como rotura espontánea de la simetría.
El Higgs interactúa con las partículas con carga débil, la carga débil las tienen todas la partículas elementales, leptones, bosones, quarks, etc.  Pero el fotón tiene una carga débil nula.
Cuando el Higgs toma un valor determinado aparecen los bosones de Higgs. Resulta que esto es justamente lo que se necesita para que la simetría gauge siga funcionando. Pero es que además debido a las interacciones del Higgs con las partículas con carga débil no nula estas partículas adquieren masa.
Así que esto soluciona dos problemas. Por un lado la simetría gauge se preserva aunque tengamos partículas con masa. Pero por otro debido a que ahora el bosón W y el Z tienen masa ya no se comportan como el fotón. Así que hemos diferenciado la interacción débil y la interacción electromagnética. Este mecanismo se puede extender a otras partículas.

Masa ¿qué masa?

Cuando aquí hablamos de masa nos estamos refiriendo a la masa inercial, es decir, a la característica física que nos dice cuan de fácil o difícil resulta acelerar una partícula.  El modelo estándar no trata la gravedad así que en primera instancia esta masa no tiene nada que ver con la gravitación.
Hemos de recordar que la física de partículas está formulada en términos de relatividad especial, esta teoría es de un espacio plano donde la gravedad no tiene nada que decir.
Nos seguimos leyendo…


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