¿Quién se comió el bosón de Higgs?

Mientras que una de las prioridades del LHC es encontrar el bosón de Higgs, sino que también hay que señalar que hemos  ya descubierto tres cuartas partes de la Norma de Higgs del modelo. 

Sólo que no espere a oír hablar de esto en el New York Times , lo que no es noticias de última hora-hemos sabido de este "tres cuartos" de Higgs durante casi dos décadas. 

De hecho, estos tres cuartos de Higgs en ​​vivo dentro del vientre de las dos bestias: la Z y W bosones!

¿Qué diablos quiero decir con todo esto? 

¿Qué es el "tres cuartos" de una partícula? 

¿Qué hace el bosón de Higgs tiene que ver con la Z y la W ? 

Y en qué medida hemos o no hemos descubierto el bosón de Higgs? 

Todos ellos forman parte una pieza sutil de la historia Modelo Estándar que ahora estamos en una excelente posición de descifrar.

Lo que encontrará es que no hay uno, sino cuatro bosones de Higgs en ​​el Modelo Estándar. 

Tres de ellos son absorbidos o consumidos por la Z y W bosones cuando se convierten en grandes.

(Esto es muy diferente de la forma de las

 partículas de materia obtener una masa !) 

En este sentido, el descubrimiento de enormes Z y W bosones también fue un descubrimiento de estas tres bosones de Higgs.

 El cuarto de Higgs es lo que llamamos el bosón de Higgs y su descubrimiento (o no descubrimiento) revelará detalles cruciales acerca de los límites del Modelo Estándar.

LA DIFERENCIA ENTRE LOS VECTORES SIN MASA Y MASIVA

En el pasado no tan reciente que se adentró en algunos de los quid de la cuestión de los bosones vectoriales , tales como las partículas de fuerza del modelo estándar. 

Hemos visto que la relatividad nos obliga a describir estas partículas con cuatro componentes, los objetos matemáticos. 

Pero, por desgracia, estos objetos son redundantes, ya que codificar más estados de polarización que están físicamente presentes.

 Por ejemplo, un fotón no puede girar en la dirección del movimiento (la polarización longitudinal) ya que esto significaría una parte del campo está viajando más rápido que la velocidad de la luz.

Ahora, ¿qué queremos decir por la polarización de todos modos?

 Que anteriormente había visto que las polarizaciones diferentes formas de una partícula cuántica puede girar.

 De hecho, cada estado de polarización puede ser considerado como una partícula independiente, o un independiente " grado de libertad en este sentido, hay dos fotones. ": una que tiene una polarización de la mano izquierda y otro con una polarización de la mano derecha.

Debido a que las partículas masivas (que viajan más despacio que la luz) puede tener una polarización longitudinal, tienen un mayor grado de libertad en comparación con las partículas sin masa. 

Así que repite después de mí:

La diferencia entre las partículas sin masa, la fuerza (como los fotones y gluones) y las partículas masivas de fuerza (como la W y Z ) es el grado longitudinal de la libertad.

Puesto que un "grado de libertad" es algo así como una partícula independiente, lo que realmente estamos diciendo es que la W y Z parecen tener "un valor adicional de partículas de partículas", una de ellas en comparación con los fotones y gluones. 

Veremos que este lenguaje poético es técnicamente correcto.

La masa de una partícula de la fuerza es importante para la física a gran escala: la razón por la que Maxwell era capaz de escribir una teoría clásica del electromagnetismo en el siglo 19 se debe a que el fotón no tiene masa y por lo tanto, puede crear campos macroscópicos. 

La  W y  Z por otro lado, son pesados ​​y sólo se puede mediar fuerzas de corto alcance, que los costos de energía de las partículas para el intercambio de partículas pesadas fuerza.

VECTORES MASIVA SON UN PROBLEMA

El hecho de que la W y Z no tienen masa es también importante por las siguientes razones:

En los primeros días de la teoría cuántica de campos, partículas masivas de vector no parece tener ningún sentido!

Los detalles no importan, pero el remate es que la consistencia misma de una teoría matemática típica con partículas masivas vector se descompone a altas energías. 

Usted puede pedir a un bien planteado física de preguntas ¿cuál es la probabilidad de W s para dispersar a una con la otra y es como si la teoría misma se da cuenta de que algo no está bien y se da por vencido a la mitad, dejando a sus cálculos en pedazos.

 Parecía que las partículas masivas de vector solo no se les permitió.

Si ese es el caso, entonces ¿cómo puede el W y Z bosones ser masivo? 

Contrariamente a la letra de una canción popular de Lady Gaga, la W y Z fueron los bosones no "nace de esta manera." partículas de fuerza, naturalmente aparecen en las teorías de partículas sin masa.

 De nuestros argumentos anteriores, ahora sabemos que la diferencia entre una masa y una partícula masiva es un solo grado, extra longitudinal de la libertad.

 De alguna manera tenemos que encontrar extras grados longitudinal de la libertad para prestar a la W y Z .

QUÉ COMENLOS BOSONES DE GOLDSTONE

Jeffrey Goldstone, la imagen de su página web del MIT

¿Dónde puede el mayor grado de libertad viene?

 Una resolución muy agradable a este enigma se

 llama el mecanismo de Higgs 

La idea principal es que las partículas de vector pueden simplemente anexo otra partícula para formar "un valor adicional de partículas 

de la partícula" de la que necesita para convertirse en masivo. 

Vamos a ver cómo funciona esto más adelante, pero lo que es realmente fantástico es que esta

 es una de las muy pocas formas conocidas para obtener una teoría matemáticamente consistente de partículas vector masiva.

Entonces, ¿qué son estas partículas más?

Dado que las partículas con espín llevar por lo menos dos grados de libertad, el "mayor grado longitudinal de la libertad" sólo puede venir de un spin-menos (o  escalar de partículas).

Una partícula tiene que de alguna manera estar conectado a las partículas de fuerza que quieren absorberlo, por lo que deben ser acusados ​​en virtud de la fuerza débil. 

(Por ejemplo, los neutrinos no están cargados en el electromagnetismo, ya que no hablan con los fotones, pero están acusados ​​en virtud de la fuerza débil, ya que hablar con la W y Z bosones).

En general, las partículas que se pueden combinar con las partículas sin masa, la fuerza para formar partículas masivas de fuerza se llaman bosones de Goldstone (o Nambu -Goldstone bosones como uno de los ganadores del Premio Nobel 2008), después de Jeffrey Goldstone , en la foto a la derecha.

Además, esta partícula tiene que obtener el valor esperado de vacío ("VEV"). 

Una teoría con la ruptura espontánea de simetría ha partícula escalar sin masa en su espectro.

Por ahora no te preocupes por ninguna de estas palabras que no sea el hecho de que esto le da una condición para la cual debe haber partículas escalares de una teoría. 

Nos pondremos en contacto con los siguientes datos y veremos que estas partículas escalares, los  bosones de Goldstone , sonprecisamente los escalares que las partículas sin masa puede absorber la fuerza para llegar a ser masiva.

Así que ahora llegamos a otro aforismo de la física:

Partículas de fuerza puede comer bosones de Goldstone para convertirse en masivo.

A la luz de esta terminología, tal vez un dibujo animado más apropiado de esto es sacar las partículas de Goldstone como un tipo popular de pescado en forma de galleta ...

AW comer una galleta Goldstonefish ... entiendes? (Espero no ser demandado por ello.)

Observaciones técnicas de los expertos: 

 La "inconsistencia matemática" de una teoría genérica de vectores masiva es la unitariedad no de la dispersión de árboles a nivel de la Segunda Guerra. 

Esto no es realmente una contradicción ya que la teoría de los vectores masiva tiene un límite, cuando uno se aproxima al nivel de corte de lazo de diagramas de dar grandes correcciones a la amplitud y la teoría se convierte en fuertemente acoplados.

 Si bien esto no es una necesidad técnica para la nueva física, es por lo menos una razón muy convincente para sospechar que hay por lo menos una mejor descripción.

En el modelo estándar se hace perturbativa. La sección transversal de árboles a nivel de dispersión WW aumenta con la energía, pero es unitarized por el bosón de Higgs.

Diciendo que las partículas de fuerza son "nacidos sin masa" es un punto de vista particular que se presta a esta conclusión UV por  linealización del modelo no lineal de sigma asociado con una teoría fenomenológica de los vectores masiva.

 Este no es el único juego en la ciudad.

 Por ejemplo, se puede tratar a los mesones ρ es un vector que puede ser entendido como el enorme  bosón de calibrador de un 'indicador de simetría oculta " en el lagrangiano quiral. La finalización de la UV como una teoría no es un bosón de Higgs, pero la aparición de los quarks que componen el obligado ρ. 

Los análogos de este tipo de terminación UV en el Modelo Estándar setechnicolor ,  Higgs compuesto , y el bosón de Higgs-menos modelos.

CUATRO HIGGSES: UN TIPO DIFERENTE DE REDUNDANCIA

Muy bien, así que tenemos tres bosones de norma masivos: el W ⁺ , W ^- y Z. Cada uno de estos tiene dos polarizaciones transversales (a la derecha y la izquierda), además de una polarización longitudinal. 

Esto significa que necesitamos tres bosones de Goldstone para darles de comer. 

¿Dónde estas partículas vienen?

 La respuesta debería ser ninguna sorpresa, el bosón de Higgs.

De hecho, se podría pensar que te estoy vendiendo el modelo estándar como un informercial:

Si usted compra ahora, el modelo estándar viene con no uno, ni dos, ni siquiera tres, sinocuatro -cuentan ellos, cuatro -bosones de Higgs!

Cuatro bosones de Higgs?

 Eso es un montón de Higgs. Pero resulta que esto es exactamente lo que tenemos: los llamamos los H ⁺ , H ^- , H ⁰ , y h . 

Como puede ver, dos de ellos pagan (se puede adivinar estos serán comidos por los W s), dos no están cargados. He aquí que son los siguientes:

"Los cuatro Higgses del Modelo Estándar", un juego de palabras bíblicas intención

¿Dónde todos estos Higgses viene?

 ¿Y por qué nuestra teoría sólo ocurra para tener suficiente de ellos?

Estos cuatro Higgses son todas manifestaciones de un tipo diferente de redundancia llamada simetría gauge .

 El nombre tiene que ver con medir los bosones , el nombre que damos a la fuerza de las partículas.

Cuando describimos las partículas vector, hemos dicho que nuestra estructura matemática es redundante: los cuatro componentes objetos tienen demasiados grados de libertad que los objetos físicos que representaban. 

Una redundancia de vino de la restricción de que las partículas sin masa no puede tener polarización longitudinal.

 Esto nos lleva por debajo de 4 grados de libertad a 3. Sin embargo, sabemos que las partículas sin masa, sólo tienen dos polarizaciones, tenemos que eliminar una polarización más.

 (Lo mismo ocurre con las partículas masivas, que tienen 3, no 4, grados de libertad.)

 Esta redundancia de sobra es precisamente lo que queremos decir con simetría gauge.

Para aquellos con conocimientos básicos de cálculo basado en la física: esto se relaciona con el hecho de que el campo electromagnético se puede escribir como los derivados de un potencial.

 Esto significa que el potencial se define a una constante.

 Este general constante (en general, un derivado total) es una simetría gauge. 

Para conectarse a la imagen cuántica, que se ha mencionado anteriormente que el  potencial vector es el análogo clásico del 4-vector que describe la polarización de un fotón .

Observación técnica 

: en cierto sentido, esta simetría gauge no es una "simetría" en absoluto, sino una sobrevaloración de un estado físico tal que diferentes de 4 vectores pueden describir el estado idéntico. 

(Compare esto con una simetría en diferentes estados de rendimiento de la misma física.)

Simetría gauge no sólo explicar la redundancia en las partículas del vector, sino que también impone una redundancia en las partículas de la materia que se cobran por la fuerza asociada.

 En particular, la simetría gauge asociados con la fuerza débil requiere que el bosón de Higgs es descrito por una de dos componentes de valor complejo objeto. 

Dado que un número complejo consta de dos números reales, esto significa que el bosón de Higgs está realmente compuesto de cuatro partículas-las distintas partículas que se reunió cuatro anteriores.

Ahora volvamos a la afirmación del teorema de Goldstone que hemos dado arriba:

Una teoría con la ruptura espontánea de simetría ha partícula escalar sin masa en su espectro.

Ya estamos contentos con las implicaciones de tener un escalar.

 Vamos a descomprimir el resto de esta frase. 

La frase es fuerte " ruptura espontánea de simetría . 

"Esta es una gran idea que merece su entrada en el blog propio, pero en el caso que nos ocupa (el Modelo Estándar) vamos a" romper "la simetría gauge asociados con la W y Z bosones.

Lo que pasa es que uno de los Higges (de hecho, este es " el bosón de Higgs " la llamada h ) obtiene un valor esperado de vacío . 

Esto significa que en todas partes en el espacio-tiempo no es campo de Higgs "en".

 Sin embargo, el bosón de Higgs lleva débil de carga por lo que si es "en" todo el mundo, entonces algo debe ser "roto" con esta simetría gauge ... el universo ya no es simétrica ya hay un cargo preferido débil (la carga de la partícula de Higgs, h ).

Por razones que vamos a posponer para otro momento, el teorema de Goldstone, entonces implica que el Higgses otros sirven como bosones de Goldstone. Es decir, el  H ⁺ ,  H ^- , y  H ⁰ puede ser consumido por el  W ⁺ ,  W ^- y Z , respectivamente, proporcionando así la polarización tercio necesario para una partícula masiva de vectores (y hacerlo de una forma que es matemáticamente consistente a altas energías).

Tres de los cuatro Higgses se Goldstones y son comidos por la W y Z.

EPÍLOGO

Todavía hay algunas cosas que yo no te he dicho.

 No me han explicado por qué no fue exactamente una partícula Goldstone para cada partícula una fuerza excesiva. 

Además, no han explicado por qué resultó que cada partícula Goldstone tenía la misma carga eléctrica que la partícula de fuerza que se lo comió.

 Y mientras estamos en ello, yo no he dicho nada acerca de por qué el fotón debe ser sin masa, mientras que el W y Z aumento de los bosones de masas-son primos cercanos, y usted puede preguntarse por qué el fotón no podríamos haber ido y comido la h .

Por desgracia, todas estas cosas tendrán que esperar para un futuro post sobre lo que realmente queremos decir por ruptura de la simetría electrodébil .

Lo que han hecho es mostrado como simetría gauge y de Higgs se relacionan a la masa de partículas de fuerza. Hemos visto que el bosón de Higgs da masa a los bosones vectoriales de una manera que es muy diferente de la forma en que da masa a los fermiones.

 Los fermiones nunca "se comió" cualquier parte del Higgs, pero rebotó en su valor esperado de vacío , mientras que los bosones gauge débil festín de tres cuartas partes de la partícula de Higgs! 

Esta diferencia está relacionada con la forma en que la relatividad restringe el comportamiento de las partículas de un spin-en comparación con las partículas de spin-la mitad.

Por último, aunque hemos demostrado que hemos hecho descubierto "3/4th de la Norma de Higgs del modelo," que hay una razón por la cual el resto de Higgs es especial y llamó a la Higgs-que es el grado específico de la libertad que obtiene el vacío expectativa de valor que se rompe la simetría de norma (que permite a sus hermanos para ser comido).

 El descubrimiento de la Higgs arrojaría luz sobre la física que induce a romper esta llamada electrodébil simetría, mientras que un descubrimiento no de la de Higgs que nos llevaría a considerar explicaciones alternativas para lo que se resuelve la inconsistencia matemática en la Segunda Guerra dispersión a altas energías.