Revista Digital Universitaria
ISSN: 1607 - 6079 Publicación mensual
 
1 de abril de 2012 Vol.13, No.4
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Bosón de Higgs. Entrevista con la Dra. Myriam Mondragón
Adrián Estrada Corona
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¿De dónde provienen las masas de las partículas elementales?, ¿por qué son tan diferentes entre sí? Sabemos cómo explicar las masas de las partículas por medio de la interacción con el bosón de Higgs, posible responsable del rompimiento de la simetría electrodébil, responde la Dra. Mondragón en  entrevista. Sólo quehasta la fecha, esta partícula ha evadido toda demostración experimental.

Se espera que el LHC – el acelerador de partículas más grande y energético del mundo – nos ayude a encontrar el bosón de Higgs, o bien a descartar su existencia en cierto rango de masas. De confirmarse su existencia se completaría el Modelo Estándar y se encontraría la respuesta a otras preguntas fundamentales, como ¿por qué hay más materia que antimateria en el Universo? Pero a la vez se abrirían otras preguntas, como ¿acaso el bosón de Higgs está compuesto a su vez de partículas?

Si no se encuentra el mencionado bosón, se abren preguntas que pueden llevarnos aún más lejos y obligarnos a una revisión profunda de los modelos matemáticos empleados hasta ahora.  Bien puede ser que nos encontremos en el umbral de una nueva física, advierte la Dra. Mondragón.

Revista Digital Universitaria: ¿Qué es el Bosón de Higgs?

Myriam Mondragón: El Bosón de Higgs es una partícula que se propuso para explicar el mecanismo por el cual las partículas elementales adquieren masa. Esto implica la unificación de dos de las fuerzas fundamentales de la naturaleza: la electromagnética y la débil, y el mecanismo de rompimiento espontáneo de una simetría.

Para entender la necesidad de introducir esta partícula, hay que hacer notar que en la versión más simple de una teoría de las partículas elementales y sus interacciones, todas las partículas tienen masa cero y existe una simetría exacta entre la fuerza electromagnética y la débil a altas energías.
 
La fuerza débil es la responsable de los decaimientos radiactivos beta, donde un neutrón del núcleo se transforma en un protón y emite un electrón. La fuerza electromagnética es la que todos conocemos de nuestra vida cotidiana, que se manifiesta en una gran gama de fenómenos físicos.

Por otro lado, la observación y los experimentos nos dicen que no sólo las partículas tienen masa diferente de cero, sino que las masas de las partículas son muy diferentes entre sí.  Otra observación es que a bajas energías, por ejemplo en decaimientos radiactivos, la fuerza débil y la electromagnética parecen muy diferentes. 

Una solución elegante y matemáticamente consistente aparece con la introducción del mecanismo de rompimiento espontáneo de la simetría, provocado por el Bosón de Higgs. El rompimiento espontáneo de una simetría ocurre cuando un sistema que exhibe una simetría, termina en un estado en el que esta simetría no está presente. La  idea de aplicarlo a la física de partículas elementales está inspirada en la física de la materia condensada y el estado sólido, y se debe a Yoichiro Nambu, premio Nobel de física 2008. Un ejemplo en física de rompimiento espóntaneo de la simetría, es el ferromagnetismo. En los materiales ferromagnéticos, arriba de una temperatura dada (temperatura de Curie), el material no exhibe propiedades magnéticas y los espines (momento angular y magnético intrínseco) de los átomos están orientados al azar. El sistema tiene una simetría rotacional. Si lo giramos en cualquier dirección se ve igual. Por debajo de la temperatura de Curie, los espines (magnetos elementales) se alinean de forma paralela y el estado base o de mínima energía exhibe una dirección preferencial, definida por la dirección del campo magnético, que no respeta la simetría rotacional. La simetría rotacional del sistema se rompió espontáneamente a una simetría cilíndrica, que está determinada por la dirección de magnetización. Una propiedad nueva surgió: la magnetización del material.

Hay muchos ejemplos de rompimiento espontáneo de una simetría en nuestra vida cotidiana. Dos ejemplos que se usan frecuentemente, son los siguientes:
Un lápiz que se balancea en su punta tiene una simetría rotacional completa. Se ve igual de cualquier lado. Cuando se cae lo hace en una dirección específica, rompiendo así la simetría.

Otro ejemplo se da cuando una pelotita está balanceada en la cresta del fondo de una botella vacía, o en la punta de un sombrero tipo Zapatista. Esta sería una situación que también tiene simetría rotacional. Cuando la pelota se cae en una dirección particular en el fondo de la botella o el sombrero, yendo al estado de mínima energía, la simetría se rompe espontáneamente. 

Las partículas elementales adquieren su masa a través de un mecanismo de rompimiento espontáneo de la simetría electrodébil. Hay dos tipos de partículas elementales: las que conforman toda la materia que conocemos (quarks y leptones) y las asociadas a las fuerzas fundamentales (electromagnética, débil, fuerte y gravitacional). Cada interacción fundamental tiene asociada una partícula. La de la fuerza electromagnética es el fotón. La fuerza débil tiene asociados a los bosones W y Z. En su forma fundamental, la teoría tiene una simetría entre el fotón, y los W y Z.  Pero es una simetría rota espontáneamente. Al bajar la energía, el estado base del sistema no respeta esta simetría y aparece una nueva propiedad: los bosones W y Z adquieren masa. En este proceso el campo de Higgs juega un papel fundamental, ya que es el responsable del rompimiento espontáneo de la simetría.

El campo de Higgs permea todo el espacio. A altas energías la simetría entre el fotón W y Z es exacta y ninguno tiene masa. Conforme la energía disminuye, esta simetría se rompe, como en el caso del ferromagnetismo. En el estado de mínima energía, el vacío, el valor del campo de Higgs, es diferente de cero. Por medio de su interacción con este campo, algunos de los bosones fundamentales, el W y Z, adquieren masa. El fotón está asociado con la parte del sistema que retiene cierta simetría, y se queda sin masa. Al mismo tiempo aparece una nueva partícula masiva asociada a este campo, el bosón de Higgs. Los bosones masivos W y Z fueron descubiertos en 1983, dando así más sustento a la hipótesis de un mecanismo de Higgs como el responsable de dar masa a las partículas.

RDU: ¿Quién es su descubridor?

MM: El bosón de Higgs no ha sido descubierto experimentalmente. El mecanismo de Higgs fue propuesto por Phillip Warren Anderson. La versión relativista fue propuesta por tres grupos de personas casi al mismo tiempo: François Englert, Robert Brout, Peter Higgs, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen y Tom Kibble. El mecanismo de Higgs fue introducido en la física de partículas elementales, en su versión actual, por Abdus Salam y Steven Weinberg, independientemente, lo que concluyó la formulación del exitoso Modelo Estándar (ME) de las partículas elementales.

RDU: ¿Cómo se explica que al interactuar con las partículas subatómicas el Campo de Higgs les determina a éstas su masa?

MM: A cada partícula elemental se le asocia un campo. El campo de Higgs permea todo el espacio, cuando las partículas se mueven a través del espacio, y si  interactúan con el campo de Higgs, adquieren masa.  Una analogía sería un objeto moviéndose a través de un líquido espeso, donde la viscosidad del líquido equivale a la interacción de las partículas con el campo del Higgs. Entre más interactúen las partículas con el campo de Higgs, más masa adquieren.

Otra analogía que se usa frecuentemente es la de un cuarto lleno de gente. La gente distribuida uniformemente por el cuarto es el equivalente del campo de Higgs. Cuando entra alguien famoso inmediatamente se forma un grupito (o grupote) de gente a su alrededor, que hace más lento su paso por el cuarto. Este grupito de gente es el equivalente de la masa que adquiere la partícula (el famoso) al interactuar con el campo de Higgs (la gente que llena el cuarto). Para imaginarnos cómo adquiere masa el bosón de Higgs, supongamos que en un lado del cuarto empieza un rumor y éste se propaga a través del cuarto mediante  grupitos de gente que lo van trasmitiendo, como una ondulación. Ésta sería la masa del bosón de Higgs.

RDU: ¿Cómo es que ante el Campo de Higgs hay partículas con mucha masa, otras con poca y unas más que carecen de ella, siendo del mismo tamaño?

MM: Sabemos cómo explicar las masas de las partículas elementales por medio de su interacción con el bosón de Higgs.  En el caso de los quarks y leptones, que son los que forman la materia, describimos la interacción con el campo de Higgs por medio de una cantidad a la cual se le conoce como acoplamiento de Yukawa. Este acoplamiento sería el análogo de una carga eléctrica. Las partículas con más masa tienen un acoplamiento de Yukawa mayor. Pero no sabemos por qué los acoplamientos de Yukawa, que determinan la masa, son tan diferentes. Podemos inferir el valor de las masas o acoplamientos de Yukawa a través de los experimentos, pero no podemos deducir este valor de la teoría. Pensar en un acoplamiento de Yukawa, como característica intrínseca de las partículas, es similar a tener dos pelotas del mismo tamaño, pero una de hule espuma y otra de plomo. Una propiedad intrínseca, el  material del cual están hechos, determina que tienen masas muy diferentes.

La variedad de masas de las partículas es uno de los problemas abiertos en la física de partículas elementales, que ha llevado a los físicos a especular que debe haber una teoría más fundamental que el ME de las partículas elementales, que explique éste y otros misterios.

El ME de las partículas elementales es el modelo que describe las partÌculas y sus interacciones con mucha precisión, hasta las escalas de energÌa que hemos podido probar hasta ahora, es decir antes del Large Hadron Collider (LHC) del European Organization for Nuclear Research (CERN). Sin embargo, deja muchas preguntas sin contestar. Una de éstas es precisamente por qué las masas de las partículas son tan diferentes (el quark más pesado, el top, es 100,000 veces más pesado que el más ligero, el up). El ME está formulado de manera que sea consistente con la existencia de un bosón de Higgs.

Para tratar de contestar varias de las interrogantes que deja abiertas el ME, entre éstas el misterio de las masas, se proponen extensiones del ME, es decir nuevos modelos matemáticos que describen las partículas y sus interacciones a más altas energías, como las que ya estamos alcanzando en el LHC. Algunas de estas extensiones pueden tener más de un bosón de Higgs, entre otras características.

RDU: ¿Se ha comprobado la existencia del Bosón de Higgs experimentalmente?

MM: No. Aún no se ha comprobado la existencia del bosón de Higgs experimentalmente. Se espera que el LHC pueda encontrar al bosón de Higgs o descartar su existencia en cierto rango de energía o masa.
El Higgs del ME decae muy rápido. Decaer significa que se transforma en otras partículas. Las partículas en las  que puede decaer y con qué probabilidades, están muy bien estudiadas y entendidas. Se buscan señales de estos decaimientos y se analiza cuál es la probabilidad de que este proceso suceda. La existencia de una partícula elemental se manifiesta en el aumento de su producción y, como consecuencia, de sus decaimientos, cuando la energía del acelerador llega a la energía correspondiente a la masa de la partícula. El aumento tiene que ser suficientemente grande para separarse claramente de variaciones o fluctuaciones estadísticas, que siempre ocurran en observaciones experimentales. Este se formaliza en la “significancia” de una observación, un número que indica qué tan probable es que una observación sea solamente una coincidiencia aleatoria o que  realmente se observe un proceso novedoso.

Los resultados  experimentales más recientes de dos de los experimentos del LHC, ATLAS Y CMS,  muestran señales o indicios que podrían ser consistentes con decaimientos de un bosón de Higgs en el rango de masa de 115-130 GeV (Gigaelectronvolt), con una preferencia por una masa de 125 GeV. Aunque todavía no se tienen suficientes datos para descartar una fluctuación estadística, el hecho de que dos experimentos independientes tengan indicios en la misma dirección, es alentador.

RDU: ¿Cuál es la contribución de la física al descubrir el Bosón de Higgs?

MM: El tamaño de un átomo está determinado por las órbitas de los electrones alrededor del núcleo y éstas a su vez están determinadas por la masa del electrón.  Si la masa del electrón fuera diferente, las dimensiones y tamaño de todo lo que nos rodea sería diferente. El bosón de Higgs, además, está  relacionado con la unificación de algunas de las fuerzas fundamentales. Entender el origen de las masas y las relaciones entre las fuerzas fundamentales de la naturaleza, es esencial para poder entender de qué y cómo está hecho todo lo que nos rodea.

Confirmar la existencia del bosón de Higgs sería poner la última pieza faltante al ME. Para poder construir la teoría más fundamental que responda las interrogantes del ME, tenemos que tener todos los ingredientes del ME completos. Sus propiedades nos pueden decir mucho de cómo sería esta teoría, más fundamental que explique las diferentes masas de las partículas, por qué hay más materia que anti-materia en nuestro Universo, si es posible unificar todas las fuerzas fundamentales en una sóla, entre otros fenómenos.

Pero si se encuentra el Higgs también hay preguntas abiertas: ¿es realmente este Higgs la partícula del ME, o es un bosón de Higgs de un modelo multi-Higgs (como un modelo supersimétrico) y estamos viendo ya nueva física?

Si nos convencemos qué es el Higgs del ME y no encontramos nueva física a escalas intermedias de energía, queda la pregunta abierta: ¿por qué las masas de las partículas son tan diferentes?

Otra pregunta abierta es: ¿este bosón es fundamental (no está compuesto de más partículas) o está compuesto de partículas desconocidas hasta ahora?

Por otro lado, ¿qué pasa si no encuentran el bosón de Higgs? Se abren preguntas también muy interesantes en relación con nuestro entendimiento (o falta de) de cómo adquieren masa las partículas. Nos dice que la manera  que ahora  usamos para describir cómo adquieren masa las partículas, es diferente de lo que ocurre y tenemos que buscar otros mecanismos para explicar la masa de las partículas elementales.  Esto implica una revisión profunda de los modelos matemáticos que hemos estado usando hasta ahora. Al mismo tiempo, los nuevos modelos matemáticos tienen que ser compatibles con todos los datos experimentales que tenemos hasta ahora, por lo menos con la misma precisión que con la suposición de la existencia de un bosón de Higgs, lo cual es todo un reto.

 
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