El bosón de Higgs y el destino final del Modelo Estándar de la física de partículas

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Masa del bosón de Higgs en función del ajuste al Modelo Estándar de los parámetros experimentales más precisos del LEP y el Tevatrón, incluyendo (izquierda) y excluyendo (derecha) las búsquedas directas del bosón de Higgs.

Cuenta Caín que mató a Abel por accidente. Cantan que el vídeo mató a la estrella de la radio. Tommaso Dorigo nos cuenta que el Modelo Estándar podría morir en manos de su más amado hijo, el bosón de Higgs, haciéndose eco de un artículo técnico de John Ellis et al. (al que recordaréis en su despacho en el CERN rodeado de papeles junto a Eduard Punset en Redes) que trata de “leer el futuro” del Modelo Estándar en las manos de los posibles modelos teóricos para el bosón de Higgs. El asunto es muy discutible. ¿Mató la teoría de la relatividad a la mecánica de Newton? ¿Mató la mecánica cuántica a la mecánica clásica? Pocos creen que el Modelo Estándar en su versión actual se mantenga válido hasta escalas de energía tan altas como las de Planck. La naturaleza nos ofrece sorpresas, nos ha ofrecido sorpresas en el pasado (como la masa no nula de los neutrinos) y nos seguirá ofreciendo sorpresas en el futuro (¿existirá un bosón de Higgs con una masa alcanzable para los ojos del LHC del CERN?).

Sólo la naturaleza tiene la respuesta. Todos podemos jugar a ser Rappel, nos llamemos John Ellis, Tommaso Dorigo o la Mula Francis, … En cualquier caso os recomiendo encarecidamente la lectura de la entrada de Tommaso “Will the Standard Model Die by The Hands of its Dearest Child?,” A Quantum Diaries Survivor, July 23rd 2009. Si eres físico, también disfrutarás del artículo de J. Ellis, J.R. Espinosa, G.F. Giudice, A. Hoecker, A. Riotto, “The Probable Fate of the Standard Model,” ArXiv, Last revised 22 Jul 2009. También es interesante leer “Who fears a non-perturbative Higgs field?,” The Gauge Connection, July 28th, 2009, y su secuela “The right mathematical question,” August 1st, 2009, todos sobre el mismo tema.

Ellis et al. han considerado cinco posibles escenarios para el futuro del Modelo Estándar en función del comportamiento del potencial del campo del bosón de Higgs. A baja energía, las partículas que observamos corresponden al resultado de un proceso de ruptura de la simetría, similar a la congelación del agua, que rompe la isotropía (simetría O(3)) alrededor de una molécula de agua generando una simetría tetraédrica en la red cristalina del hielo. Los bosones vectoriales W y Z tienen masa gracias a una ruptura de simetría similar mediada (creemos) por el bosón de Higgs. El resultado es que el vacío a baja energía en el Modelo Estándar no corresponde con el vacío a alta energía (más allá de la escala de energías de la ruptura de la simetría electrodébil, que depende de la masa del bosón de Higgs, en la que los “equivalentes” a los bosones W y Z no tienen masa, como el fotón). La escala de energía para esta ruptura de la simetría podría llegar hasta la escala de energías de Planck (2 x 1018 GeV). Si el bosón de Higgs existe, esta escala de energía es como una barrera de potencial para el “vacío” del Modelo Estándar (que no está vacío sino que contiene las partículas que observamos a baja energía). Este “vacío” podría ser (absolutamente) estable o metaestable, tener cierto grado de estabilidad (no puede ser inestable porque sabemos que a baja energía es la descripción correcta de la realidad). La metaestabilidad del “vacío” implicaría la existencia de otro “vacío” a mayor energía y que se pueda producir un salto de un vacío a otro por efecto túnel, algo que puede verse como una partícula cuántica encerrada en una barrera de potencial, que puede sobrevivir siempre en ella o tener cierta vida media en su interior, en cuyo caso tras cierto tiempo acabará saltando a través de la barrera por efecto túnel.

Los cinco posibles escenarios estudiados por Ellis et al. dependen de la estabilidad de este “vacío” del Modelo Estándar ante un posible efecto túnel más allá de la escala de la ruptura electrodébil. La figura de abajo resume los resultados obtenidos por estos físicos teóricos. El primer escenario, curva roja y sombreado en rosa, corresponde a que la vida media del “vacío” sea mayor que la edad actual del universo (collapse region). El segundo escenario, curva azul y sombreado a circulitos celestes, corresponde a que la vida media sea razonablemente alta y estable ante perturbaciones (térmicas) de energía arbitraria (Zero-T metastability). El tercer escenario, curva verde oscuro y sombreado a rayas verdes, corresponde a que la vida media sea alta pero estable sólo a perturbaciones térmicas con una energía menor que la escala de Planck (Finite-T metastability). El cuarto escenario, curva verde sombreada del mismo color, corresponde a que el vacío electrodébil del Modelo Estándar sea estable a todas las energías desde el punto de vista de la teoría de perturbaciones (Stability). El quinto escenario, curva negra y sombreado gris, corresponde a un vacío estable desde el punto de vista no perturbativo (Non-perturbativity). Por cierto, este último escenario es el menos entendido del modelo estándar. Finalmente, la curva azul de trazo grueso presenta el valor calculado a partir de los datos experimentales más recientes para la probabilidad de que un bosón de Higgs tenga la masa indicada.

Dibujo20090804_levels_1_CL_versus_higgs_mass_in_the_four_scenarios_considered_by_Ellis_et_al

¿Cómo se interpreta esta compleja figura? Por un lado, la curva azul gruesa indica que hasta 3 desviaciones típicas, el bosón de Higgs tiene una masa en alguno de los intervalos [114,153] GeV o [180,224] GeV. El Modelo Estándar puede seguir siendo válido hasta una energía a la escala de Planck si el bosón de Higgs tiene una masa en el intervalo [114,124] GeV o por encima de 172 GeV (zonas sombreadas con rosa, azul claro y gris). La curva azul gruesa favorece el primer caso, con lo que se puede afirmar con un intervalo de confianza de un 99.1% que el Modelo Estándar pervivirá hasta la escala de Planck. Ellis et al. además afirman que si el bosón de Higgs no es encontrado en el primer año de búsqueda en el LHC (experimento ATLAS y a energía máxima, 14 TeV) automáticamente se puede excluir un bosón de Higgs con una masa inferior a 127 GeV con una confianza del 95%.

¿Qué pasa si se descubre un bosón de Higgs de masa cercana al límite del LEP? Según Ellis et al., si se descubre un bosón de Higgs en el LHC o el Tevatrón con una masa de 120 (115) GeV, el potencial efectivo del Modelo Estándar desarrollará un nuevo “vacío” a una energía menor de 1010.4 (108.0) GeV (muy por debajo de la escala de Planck), con lo que el Modelo Estándar tendrá que ser significativamente alterado a dichas energías.

En resumen, un análisis teórico de los datos experimentales más recientes que no permite afirmar si el Modelo Estándar sobrevivirá hasta la escala de Planck o no, pero, como afirma Tommaso, nos da una bocanada de aire fresco y nos recuerda que quizás el descubrimiento del bosón de Higgs además de ratificar el Modelo Estándar, nos dejará claro que es una teoría aproximada (como todo el mundo cree) que habrá de ser substituida por una teoría más fundamental.

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