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El Bosón de Higgs

Las propiedades cuánticas de la materia

En la física cuántica los trabajos de Planck, Einstein y De Broglie pusieron en evidencia que la naturaleza cuántica de la materia implicaba una equivalencia entre las propiedades ondulatorias (frecuencia y vector de onda) y corpusculares (energía e impulso). Un objeto cuántico es una partícula descripta según sus cualidades, corpusculares y ondulatorias en un espacio vectorial. Pero la dualidad onda-corpúsculo, confirmada en numerosas experiencias, plantea un problema teórico fundamental: para poseer un vector de onda una partícula debe tener una cierta extensión en el espacio y en el tiempo. Ya en balbuceos de la física cuántica (1927), Heisemberg había enunciado el principio de incertidumbre (o de indeterminación) según el cual no se puede conocer simultáneamente la posición y la velocidad de una partícula masiva (con una cierta masa).

Las partículas cuánticas tienen propiedades observables (es decir que pueden ser representadas por un vector de un espacio vectorial de Hilbert) como la masa, la carga eléctrica o el spin, que tienen valores mensurables discretos y sometidos al principio de incertidumbre. Pero el spin, que es el momento cinético propio de una partícula debido a su rotación sobre ella misma, es la única propiedad observable que no tiene un equivalente clásico como la posición, la impulsión o la energía de una partícula. El spin es un operador vectorial que tiene 3 componentes correspondientes a las coordenadas cartesianas y a las tres dimensiones espaciales. La totalidad de partículas conocidas (o de existencia sospechada) tienen un spin de valor comprendido entre 0 y 2. Esto ha permitido una clasificación de las partículas elementales en dos grupos: Los fermiones, que tienen un spin medio entero, clasificados por la estadística de Fermi-Dirac y los bosones, que tienen un spin entero, clasificados por la estadística de Bose-Einstein.

El principio de exclusión de Wolfgang Pauli

En 1925, Wolfgang Pauli propuso un principio según el cual los electrones no se pueden encontrar en el mismo lugar en el mismo estado físico cuántico. Este principio, llamado principio de exclusión, fue generalizado en 1930 por el teorema de Dirac a todo fermión (o partícula de spin medio-entero) tal que el protón, el neutrón, el neutrino y los quarks. En mecánica cuántica y en física estadística, la estadística de Fermi-Dirac designa la distribución estadística de fermiones indiscernibles (todos similares) en los estados de energía de un sistema en equilibrio termodinámico. Esta distribución tiene como particularidad que las partículas con spin medio-entero (fermiones) están sujetas al principio de exclusión de Pauli.

El modelo estándar

En la física de partículas, se llama modelo estándar a una teoría que describe las partículas elementales que componen toda la materia y las relaciones entre las interacciones fundamentales de las partículas entre sí. Los bosones están descriptos en el modelo estándar como teniendo un spin entero y no están sujetos al principio de exclusión de Pauli, es decir que pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico. En el universo hay cuatro interacciones elementales, que son las fuerzas responsables de todos los fenómenos observables: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear débil y la gravitación. En la física clásica la fuerza electromagnética y la fuerza de la gravedad son consideradas como axiomáticas, pero en la mecánica cuántica, en el modelo estándar, todas las interacciones son descriptas como un intercambio producido por los bosones. Los bosones son partículas portadoras de una interacción elemental.

Bosón Carga Spin Masa (GeV) Interacción
Fotón 0 1 0 Fuerza electromagnética
 W ± ±1 1 80,4 Fuerza nuclear débil
 Z ° 0 1 91,2 Fuerza nuclear débil
Gluón 0 1 0 Fuerza nuclear fuerte
Higgs 0 0 >115 Masa

La noción de simetría y la ruptura de simetría

En la Física, la noción de simetría (llamada también invariancia) remite a la posibilidad de considerar un sistema físico según varios puntos de vista distintos en términos de descripción de un proceso,  pero que resultan equivalentes en tanto que predicciones efectuadas bajo sus referencias. Sin embargo, una teoría puede tener una simetría en el nivel clásico, pero invalidarse en un proceso de mecánica cuántica por sutiles efectos cuánticos. Se dice que hay una ruptura de simetría cuando cambiando ciertas características del sistema este último (o las leyes que rigen su comporta-
miento) ya no son invariables bajo la transformación asociada a esa simetría.

El campo escalar de Higgs

peter_higgs

El campo de Higgs es un campo escalar (función de varias variables que asocia un numero –o escalar- a cada punto del espacio) indispensable para explicar en el modelo estándar la ruptura espontanea de la simetría que se produce por el alcance infinito de la fuerza electromagnética y el alcance extremada-
mente limitado de la fuerza nuclear débil. Se explica esta diferencia por el hecho de que el fotón, portador de la interacción de la fuerza electromagnética, no interacciona con el campo de Higgs, pero en cambio lo hace con los bosones W+, W- y Z, portadores de la interacción de la fuerza nuclear débil. Pero el fotón no tiene masa mientras que los otros bosones (W+, W- , Z) son pesados (80,4 y 91,2 GeV – giga electrovoltios). Entonces se deduce que el campo de Higgs sería el responsable de la aparición de la masa inercial, que es un valor escalar que mide la resistencia de las partículas en aceleración y que afectaría en realidad todas las partículas elementales y no solamente los bosones W+, W- y Z (incluso el neutrino, en el cual se ha detectado una base no-nula). El campo de Higgs es un campo escalar descripto por una simple función f(x) de la coordenada cartesiana x y su asociado, el bosón de Higgs, que tiene un spin = 0

El bosón de Higgs

El bosón de Higgs permite explicar la ruptura de la simetria de la interacción de la fuerza nuclear débil y de explicar porqué ciertas partículas tienen una masa y otras no. El boson de Higgs, quantum del campo de Higgs, confiere una masa no nula a los bosones de interaccion débil W+, W- y Z, confiriéndoles propiedades diferentes de las del bosón de interaccion electromagnética, el fotón.
El bosón de Higgs es la piedra angular del modelo estándar de la física de las partículas. El conocimiento de sus propiedades puede orientar la investigación a una extensión o a un perfeccionamiento del modelo estándar, tales que la investigación sobre la supersimetria, que causa la asociación de un boson con un fermión, o una explicación del porqué la materia oscura no emite radiaciones electromagnéticas. Como todos los campos cuánticos, el campo de Higgs encontraría su origen en el Big Bang. Sin embargo, contrariamente a los otros campos, el campo de Higgs no tendría un potencial mínimo con valor nulo, sino un valor diferente de cero. La evolución del potencial hacia valores mínimos a la ocasión de la expansión del universo explicaría la causa por la cual este valor tiende a ser constante y positivo. En la literatura específica se habla de un valor medio en el vacio no nulo del campo de Higgs, o del océano de Higgs. Para que este campo tome un valor nulo en cierta parte del universo y que su masa inercial desaparezca habría que aportarle una energía suscep
tible de hacerlo remontar a su origen, es decir, como era el caso en el Big Bang.

El campo de Higgs crea la masa inercial

boson de higgs

Desde hace mucho tiempo los físicos se interrogan sobre el origen de la inercia de la materia, que indica la fuerza que se debe aplicar a un objeto para imprimirle una cierta aceleración. El campo de Higgs, interviniendo por el bies del mecanismo de Higgs, inscribe el proceso por el cual se produce una ruptura espontanea de la simetría de una partícula introduciendo un campo escalar de valor no nulo en el vacío. Esta explicación todavía no está confirmada por las experiencias realizadas a partir de 2009 en el LHC (1): en movimiento acelerado, es el campo de Higgs que frena los quarks que componen los objetos que levantamos, arrastramos o lanzamos. La masa inercial de una partícula resulta de su grado de interacción con el campo de Higgs.  Asi, una partícula sin interacción con el campo de Higgs como el fotón, tendría automáticamente una masa nula. A la inversa, en la medida que esta interacción sea importante, más pesada seria la partícula.

El 4 de julio de 2012 el CERN (2) anunció haber identificado un nuevo boson con una masa del orden de 125-126 GeV, compatible con la masa atribuida al boson de Higgs. El CERN indica de todas manera que son necesarios estudios complementarios para determinar con certeza si la particula descubierta reúne todas las carateristica previstas para el boson de Higgs.

(1) Large Hadron Colliger, dispositivo acelerador de partículas situado en la frontera entre Francia y Suiza.
(2) Centre Européen pour la Recherche Nucléaire.

Fuentes Popular Science, National Geographic, Wikipédia.