Últimamente es el tema de moda.
Todo el mundo se pregunta que es el dichoso Higgs del que en todos los sitios se habla y tanto dinero cuesta encontrar.
¿Se va acabar el mundo si no lo descubren?
¿Y que importa si lo descubren?
La partícula de Higgs es muy importante dado que es una pieza clave
del llamado modelo estándar de la física de partículas y porque podría explicarnos que significa tener masa (algo que Newton lo usaba
en su famosa ecuación F=ma, pero que no supo explicar que era).
Para ello vamos a abordar el asunto en tres etapas: primero ver que
es el famoso bosón de Higgs, luego el campo de Higgs y finalmente
el modelo estándar.
Érase una vez una partícula...
El bosón de Higgs es una partícula elemental masiva, aún sin descubrir,
predecida por Peter Higgs, Englert y Brout en 1964.
Es el cuanto del campo de Higgs.
En este caso, el campo se compone
de dos componentes neutrales y dos cargados.
En el campo de ambos componentes cargados y uno de los neutrales,
formarían el llamado bosón de Goldstone, que no tiene masa.
El otro componente neutral formaría el bosón de Higgs, cuyas principales características serían que tiene espín 0, sin momento angular,
masa de 115 a 180 GeV, y sería a la vez su propia antipartícula.
Tela con la partícula de marras...
El Big Bang y la teoría inflacionaria explican el Universo en expansión,
y las observaciones astronómicas (principalmente de la radiación de fondo cósmico) nos han mostrado una gran simetría existente.
Durante el proceso de expansión, en el Universo se ha reducido la densidad,
y por lo tanto la temperatura, lo cual ha causado una reducción
de la simetría: un gas altamente caliente hace que sus partículas
se muevan libremente e individualmente,
las cuales al ser observadas presentan simetría, p.e. rotacional.
Sin embargo, al enfríarse comienzan a aproximarse y a formar agregados,
que rompen las simetrías previas.
Cuando se produce una reducción de simetría (o aumento)
se produce un cambio de fase (esto mismo ocurre p.e. con un cubo
de hielo al calentarse y convertirse en líquido).
Así, también de este modo ha ocurrido que cuando el Universo
se ha enfriado, se ha reducido la simetría.
Los campos, a altas temperaturas, presentan grandes fluctuaciones
de energía (imaginar un líquido hirviendo).
A medida que se enfría, el campo se hace más estable y tiene a niveles
bajo de energía.
En este caso, los principales campos conocidos, al enfriarse el Universo tendieron a valores, en promedio, de cero.
Sin embargo, un campo, el llamado campo de Higgs, no hizo igual.
Éste se condenso en un valor no nulo formando el conocido como
Océano de Higgs, que perméa todo el espacio.
Ese valor no nulo es el que dotaría a los cuerpos de masa, al oponer
resistencia a partículas como el electrón y quarks cuando aceleran
o desaceleran, y dotándoles de inercia.
Sería algo similar (aunque no lo mismo) a si sumergimos
una piedra en un fluido viscoso.
Pero este campo también afecta a los gluones, por lo que así dota de masa
a los protones y neutrones.
Sin embargo el fotón no se ve afectado, por lo que no tiene masa.
Si el océano de Higgs no existiese, las partículas no tendrían masa.
después del Big Bang, cuando el Universo tenía 10^15 K, formando
el océano de Higgs.
Antes de ese momento había una gran fluctuación,
pero de valor promedio nulo y por lo tanto las partículas tenían masa cero.
En 1960 Glashow, Weinberg y Salan descubren que antes de la formación
del océano de Higgs, fotones y bosones W y Z son iguales y presentan
la misma simetría gauge, con lo cual hay simetría entre dichas partículas
y a su vez simetría entre sus fuerzas.
Esto implica, que a altas temperaturas la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética son la misma.
Esta unificación de fuerzas se llamó fuerza electrodébil.
Sin embargo, al condensarse el campo de Higgs en el océano de Higgs, se rompe la simetría y ambas fuerzas parecen diferentes. Este descubrimiento les valió el premio Nobel en 1979.
Posteriormente se propuso la Teoría de la Gran Unificación (GUT),
intentando unificar fuerza electrodébil y la nuclear fuerte.
En este caso el campo de Higgs que había estaba en un Universo
con temperaturas superiores a los 10^28 K.
Al hablar de dos unificaciones, el campo de Higgs de la GUT
se denomina campo de Higgs de gran unificación,
y el de la fuerza electrodébil, campo de Higgs electrodébil.
El modelo estándar
El modelo estándar incorpora:
- familias de quark, leptones y partículas mediadoras
- Teorías cuánticas de campo para las interacciones fuerte,
débil y electromagnética
- Teoría especial de la relatividad de Einstein
Para una teoría, es necesario tener poder predictivo.
Por ejemplo Paul Dirac en 1928 combinó la física cuántica
con la relatividad especial, obteniendo la predicción de una partícula
con la misma masa que el electrón pero de carga opuesta: el positrón
fue descubierto en 1933.
También el modelo estándar predice la existencia de quarks, el neutrino tau,
y los bosones W+, W- y Z0: todos actualmente ya han sido detectados.
Pero el modelo estándar es incompleto; es necesario introducir valores
desde los resultados de los experimentos.
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