Me encantan las ilustraciones de las entradas de Flip Tanedo sobre física de partículas. En esta ocasión nos habla de los cuatro bosones de Higgs del Modelo Estándar y como tres de ellos son comidos por los bosones vectoriales W y Z, que adquieren una masa en reposo enorme, quedando a baja energía solo el cuarto, el que tendría que haber sido comido por el fotón, que está a dieta y no tiene masa en reposo. Cuando se habla de la búsqueda del bosón de Higgs del Modelo Estándar se está hablando de este cuarto Higgs, el único hermano «vivo» de los cuatro. Todas las partículas con masa del Modelo Estándar, como los electrones y los quarks, incluso el cuarto Higgs, adquieren masa por un mecanismo diferente a como adquieren masa los bosones W y Z, por ello no podemos decir en propiedad que «si el fotón está a dieta, el Higgs no lo está, es un caníbal y adquiere masa comiéndose a otros como él.» El LHC del CERN tiene que descubrir este cuarto bosón de Higgs, porque los otros tres bosones de Higgs ya fueron descubiertos en 1983 cuando se descubrieron los bosones W y Z. Todo esto ya lo he contado varias veces en este blog, pero nunca tan bien ilustrado como en esta entrada; no me resisto a contaros una vez más este comecoco (ilustrado con comecocos). Lo dicho, me encanta Flip Tanedo, «Who ate the Higgs?,» Quantum Diaries, October 10th, 2011. Permíteme un resumen/traducción de su entrada, que te recomiendo leer si no te molesta que esté escrita en inglés.

 

Los bosones vectoriales, como el fotón y los bosones W y Z, están descritos por una función de onda cuántica con tres componentes, dos transversales a la dirección de movimiento (velocidad de la partícula) y una longitudinal (paralela a la velocidad). Las partículas vectoriales sin masa, como el fotón y los gluones, no tienen grado de libertad longitudinal (corresponden a campos que vibran transversalmente al movimiento); si lo tuvieran se propagarían más rápido que la velocidad de luz en el vacío (como ocurre con los fotones y gluones virtuales). La partículas vectoriales con masa, como los bosones W y Z, tienen un grado de libertad (polarización) longitudinal. Este grado de libertad es como una partícula (de espín cero) independiente de los grados de libertad transversales.

La idea del mecanismo de Higgs es que el grado de libertad longitudinal de los bosones W y Z proviene de partículas escalares (de espín cero) que desaparecen en una transición de fase que se produce a cierta energía (o temperatura) crítica. Para dotar de masa a los bosones W ⁺ , W ⁻  ​y Z⁰ se necesitan tres partículas escalares llamadas H ⁺ , H ⁻ y H ⁰. La teoría electrodébil que unifica electromagnetismo e interacción débil requiere que lo que haya para la parte débil también lo haya para el electromagnetismo, así que tiene que existir un h⁰, adicional asociado al fotón (en realidad, los bosones de Higgs vienen a pares (H ⁺, H ⁰) y (H ⁻, h⁰) y corresponden a un doblete de partículas de espín cero cargadas). El grado de libertad asociado a la partícula  h⁰ no se consume en la transición de fase electrodébil sino que se preserva a baja energía.

El mecanismo de Higgs permite que todas las partículas del Modelo Estándar adquieran masa mediante su interacción (acoplamiento) con el campo de Higgs, incluso el propio Higgs h⁰ adquiere masa de esta manera. El vacío está ocupado por un campo de Higgs «congelado» (condensado de Bose-Einstein) y las partículas con masa cuando atraviesan este vacío interaccionan con el campo de Higgs, comportándose como si tuvieran masa. El mecanismo de adquisición de masa de los bosones W y Z es diferente al del resto de las partículas; para marcar la diferencia, los físicos afirman que adquieren masa por interacción con bosones de Goldstone (las partículas  H ⁺ , H ⁻ y H ⁰), relegando el nombre de bosón de Higgs solo a la partícula h⁰ (pero en realidad, a alta energía, por encima de la escala de la transición de fase electrodébil, no hay diferencia entre estas cuatro partículas escalares, más allá de sus cargas).

El mecanismo de Higgs tiene múltiples ventajas técnicas desde el punto de vista matemático en una teoría gauge, destacando que es renormalizable a todos los órdenes (no conozco ningún otro mecanismo alternativo para el que esté demostrado que lo sea) y que es genérico para cualquier unificación de campos gauge (cualquier ruptura espontánea de simetrías gauge). Cualquier otro mecanismo dinámico de ruptura de la simetría que explique la transición de fase electrodébil (hay muchísimas propuestas) debe coincidir con todo detalle con el mecanismo de Higgs en la escala de energías de dicha transición de fase (difiriendo solo a energías mucho más altas). Esta coincidencia requiere un ajuste fino de sus parámetros; dependiendo de la teoría concreta el ajuste es más fino o menos fino, pero el principio de la navaja de Ockham prefiere la explicación que no requiere ningún ajuste fino, cuando la hay, y en este caso la hay, es el mecanismo de Higgs. Un parámetro de este tipo es el parámetro rho de Veltman (1980), exactamente la unidad en el mecanismo de Higgs (a primer orden en la teoría de perturbaciones), pero que difiere de ella en teorías alternativas. Otro parámetro es el introducido por los mexicanos Diaz-Cruz y Lopez-Falcon, también igual a la unidad en el mecanismo de Higgs pero que difiere de ella en otras teorías.

Muchos me preguntan, por qué crees que el Higgs existe y será encontrado el año próximo. En mi opinión, la teoría más sencilla que está de acuerdo con los experimentos es correcta hasta que se demuestre lo contrario (que deje de estar de acuerdo con los experimentos). Se han encontrado ya tres bosones de Higgs (muchas propiedades de los bosones W y Z coinciden exactamente con las predichas por la teoría electrodébil que incorpora el mecanismo de Higgs sin ningún ajuste fino de parámetros, como requieren las teorías alternativas) y las estimaciones teóricas apuntan a que el bosón de Higgs se esconde donde todavía no hemos podido encontrarlo, pues los experimentos aún no tienen la sensibilidad suficiente para descubrirlo. Por qué dudar entonces de la existencia del Higgs.

He de confesar que sería maravilloso para la física de partículas que el Higgs no existiera. El mecanismo de Higgs es una teoría fenomenológica y no explica el porqué ocurre la transición de fase electrodébil. Otras teorías dinámicas para la ruptura de la simetría electrodébil proponen una explicación a esta transición de fase, además de la existencia de nuevas partículas y/o nuevas leyes físicas que aún no han sido descubiertas. Para la mayoría de los físicos sería maravilloso que el Modelo Estándar fuera destronado tras solo 40 años de vida debido a la ausencia de su última predicción, la existencia del bosón de Higgs. ¡Hay tantas cosas del Modelo Estándar que aún desconocemos! En mi opinión solo un conocimiento muy íntimo del Modelo Estándar permitirá descubrir indicios sobre la teoría que lo sustituirá. Primero habrá que confirmarlo con todo detalle y después podremos aspirar a destronarlo. Sería maravilloso que el LHC del CERN no encontrara ningún indicio del Higgs el próximo año, pero en mi opinión, la utopía de la nueva física todavía tendrá que esperar unas décadas.