¿Que es el famoso Bosón de Higgs?

Seguramente estos días habeis oido hablar mucho de el por la televisión o la radio, e incluso leido en los periódicos, pero es que, si asi lo certifican los resultados de las últimas pruebas, que aunque tengamos ciertos adelantos, todabia debemos esperar por los definitivos, estariamos hablando del mas importante descubrimiento físico de la historia. Para los que todabia andais un poco perdidos sobre al tema os explico un poco de que va esto...

El bosón de Higgs es una partícula hipotética, 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. Al bosón de Higgs se le denomina habitualmente la partícula de Dios o la partícula divina, debido al libro La partícula divina: si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta? del premio Nobel de Física Leon Lederman.

La existencia del bosón de Higgs fue predicha en 1964 como parte del mecanismo de Higgs, propuesto para explicar la masa de las partículas elementales del modelo estándar. En particular dicho mecanismo justifica la masa de los bosones vectoriales W y Z, que los diferencia de otros bosones que median interacciones fundamentales, como el fotón.

El bosón de Higgs recibe su nombre de Peter Higgs, que fue uno de los seis autores que en la década de 1960 desarrolló la idea del mecanismo ahora conocido por su nombre. Según el modelo estándar interacciona con todas las partículas con masa y con el fotón, y no posee espín ni carga eléctrica o de color.

Debido a que su masa es presumiblemente muy grande, sólo puede ser detectado a altas energías en un acelerador de partículas. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN comenzó sus experimentos para detectarlo en 2010. Anteriormente también se intentó en LEP (también en el CERN) y en Tevatron (en Fermilab).

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.

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, sobre la base de 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/c –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.

Historia

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.

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 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 por Peter Higgs;y por Gerald Guralnik, C. R. Hageny Tom Kibble (GHK). Las propiedades del modelo fueron adicionalmente consideradas por Guralnik en 1965 y Higgs en 1966^. 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 Glashowd en lo que se convirtió en el modelo estándar de física de partículas.

Los tres artículos escritos en 1964 fueron reconocidos como un hito durante la celebración del aniversario 50º de la Physical Review Letters. Sus seis autores también fueron galardonados por su trabajo con el Premio de J. J. Sakurai para física teórica de partículas. (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 artículos). Dos de los tres artículos 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 artículo 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 artículo 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 artículo 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 artículo 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.


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 naturalza, 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.

Propiedades

Muchas de las propiedades del bosón de Higgs, tal y como se describe en el modelo estándar, están totalmente determinadas. Como su nombre indica, es un bosón con espín 0 (lo que se denomina un bosón escalar). No posee carga eléctrica ni carga de color por lo que no interacciona con el fotón ni con los gluones. Sin embargo interacciona con todas las partículas del modelo que poseen masa: los quarks, los leptones cargados y los bosones W y Z de la interacción débil. Sus constantes de acoplo, que miden como de intensa es cada una de esas interacciones, son conocidas: su valor es mayor cuanto mayor es la masa de la partícula correspondiente. En la versión original del modelo estándar, no se incluía la masa de los neutrinos ni, por tanto, una interacción entre estos y el Higgs. Aunque esta podría explicar la masa de los neutrinos, en principio su origen puede tener una naturaleza distinta . El bosón de Higgs es además su propia antipartícula.

El modelo estándar no predice sin embargo la masa del Higgs, que ha de ser medida experimentalmente; tampoco el valor de algunos parámetros que dependen esta: las constantes de acoplo del Higgs consigo mismo –que miden como de intensamente interaccionan dos bosones de Higgs entre sí–. En primera aproximación, la masa del Higgs puede tomar cualquier valor. Sin embargo la consistencia matemática del modelo estándar impone cotas inferiores entre 85 y 130 GeV/c², y cotas superiores entre 140 y 650 GeV/c². Los experimentos llevados a cabo en los aceleradores LEP y Tevatron, y posteriormente en el LHC, han impuesto cotas experimentales para el valor de la masa del Higgs –siempre asumiendo el comportamiento del modelo estándar–. En julio de 2012 los dos experimentos del LHC efectuando búsquedas del Higgs, ATLAS y CMS, presentaron resultados que excluyen valores de la masa fuera del intervalo entre 123–130 GeV/c² según ATLAS, y 122,5–127 GeV/c² según CMS (ambos rangos con un 95% de nivel de confianza).Además, anunciaron el descubrimiento de un bosón con propiedades compatibles con las del Higgs, con una masa de aproximadamente 125–126 GeV/c².

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; 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.


• Condensados de quarks top.

Investigación experimental

El 4 de julio del 2012. el CERN confirmó con más de un 99% de probabilidad la existencia del bosón de Higgs 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%. 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.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.

El 4 de julio de 2012, el CERN comunicó con la presencia de varios científicos, incluyendo al propio téorico del tema Peter Higgs, que había detectado con un 99,99994% de probabilidad el Bosón de Higgs mediante el colisionador de hadrones. Incluso tratarían de entender qué tipo, si así fuera, 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 editor de un libro de divulgación escrito por el físico Leon Lederman, ganador del Premio Nobel, y titulado originalmente en inglés "The goddam particle" (traducido como "La partícula maldita") y posteriormente editado como "The God particle" (traducido como "La partícula de Dios").

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 Theory, Sheldon Cooper cree haber descubierto una prueba de la existencia del bosón de Higgs.