Si imaginas el electrón como una pequeña bolita, por qué no imaginas igual al bosón de Higgs

Por Francisco R. Villatoro, el 17 agosto, 2012. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticia CPAN • Physics • Science ✎ 13

Me resulta realmente curioso que mucha gente imagine el electrón como una pequeña bolita cargada que gira sobre sí misma, pero que se imagine el bosón de Higgs como una «cosita» alargada, como un pequeño diagrama de Feynman. El bosón de Higgs es un partícula puntual, como lo es el electrón. ¿Por qué no se imagina la gente el bosón de Higgs como una pequeña bolita? No tengo ni idea, pero obviamente, ni el electrón es una bolita pequeña cuyo radio tiende a cero hasta hacerse puntual, ni el bosón de Higgs lo es. Permíteme un pequeño comentario al respecto.

Lo primero, qué es un electrón. No, no es una bolita pequeñita y cargada que gira sobre sí misma. Ni siquiera en el límite de radio tendiendo a cero. Los físicos creemos que el electrón es una excitación (fluctuación o vibración) localizada del campo electrón. El campo electrón permea todo el espaciotiempo (algunos físicos dicen que el vacío del campo electrón permea todo el universo, pero es lo mismo). Las excitaciones del campo electrón en las regiones donde no hay ningún electrón (el vacío) se llaman partículas virtuales (en ciertas circunstancias pueden convertirse en partículas, pero no son partículas). Como el electrón tiene una antipartícula llamada positrón, estas excitaciones virtuales son pares electrón-positrón virtuales. Sabemos que existen y hemos medido sus efectos (por ejemplo, afectan a los niveles atómicos de los electrones en los átomos). Ahora bien, por qué hay un número finito de electrones en el universo. Pues porque el Big Bang produjo un número finito de excitaciones localizadas tipo partícula electrón y como esta partícula es estable y no puede desintegrarse en nada, dichas excitaciones localizadas o partículas se han conservado hasta hoy en día.

Ahora podemos pasar al bosón de Higgs. ¿La gente se imagina el Higgs como una bolita pequeñita y neutra que no gira sobre sí misma? Mucha gente rehuye de esta imagen, pero como en el caso del electrón, no es eso. Los físicos creemos que el bosón de Higgs es una excitación (fluctuación o vibración) localizada del campo de Higgs. El campo de Higgs permea todo el espaciotiempo (algunos físicos dicen que el vacío del campo de Higgs permea todo el universo, pero es lo mismo). Las excitaciones del campo de Higgs en las regiones donde no hay ningún bosón de Higgs (el vacío) se llaman partículas virtuales; como el bosón de Higgs es idéntico a su antipartícula, estas excitaciones virtuales son bosones de Higgs virtuales. Sabemos que existen y resulta que las partículas masivas tienen masa porque interaccionan con estos Higgs virtuales (adquieren masa al interaccionar con el vacío del campo).

Por qué no hay Higgs por todos lados y su masa total no afecta a la densidad de masa-energía total del universo. Muy sencillo, el Higgs es una partícula con mucha masa y por tanto inestable, desintegrándose casi instantáneamente en partículas de menor masa (lo mismo le pasa al quark top y a las demás partículas con masa grande). Por ello, en el universo entero no hay ninguna excitación localizada estable de tipo partícula de Higgs. Para poder observar una partícula del campo de Higgs hay que excitar el campo con mucha energía (en una colisión protón-protón del LHC, por ejemplo) y la excitación resultante es inestable y se desintegra en unas billonésimas de billonésima de segundo en otras partículas (excitaciones de otros campos).

Desde el punto de vista de la teoría de campos no hay diferencia significativa en la relación entre la partícula llamada electrón y el campo electrón (que tiene cuatro componentes en dos parejas) y la relación entre el bosón de Higgs y el campo de Higgs (que a baja energía tiene una sola componente). Obviamente, uno tiene carga y el otro es neutro, uno es estable y el otro inestable. Pero conceptualmente tan partícula es uno como el otro. Si alguien afirma que «entiende» o intuye o se imagina qué es un electrón, debe también entender o intuir o imaginarse qué es un bosón de Higgs.

Yo sé que entender qué es un vacío cuántico y por qué es un «mar» repleto de partículas virtuales es difícil, pero no hay diferencia conceptual, repito, entre el vacío del campo electrón y el vacío del campo de Higgs. El segundo no es más misterioso que el primero. Aunque ambos son muy misteriosos para quien quiere verlos desde un punto de vista clásico.

Espero haber ayudado algo. Pido perdón si lo he complicado aún más.



13 Comentarios

  1. Francis. Últimamente, con estas tres aportaciones de QFT, te estás saliendo. El verano te prueba porque aumenta y transmite tu lucidez al resto de mortales.
    Soy un «viejo» físico de la generación la transición democrática, la de las fotocopias en ingles del Bjorken & Drell, que derivó profesionalmente a la informática empresarial.
    Encontraba entonces a faltar en los profesores, este verbo intuitivo aunque, a veces sútilmente inexacto (con las matemáticas no se puede competir) que rodease a tanta fórmula (las ideas que hay detras de estos desarrollos).
    Enhorabuena. Sigue así.
    Un abrazo.

  2. Hola Francis,

    buenísimos estos artículos últimos, felicidades.

    Yo tengo dos preguntas: ¿existen condiciones (presión, temperatura) donde el Higgs sería «estable»? Por ejemplo el quark down no se desintegra dentro de un núcleo atómico estable, y en objetos muy densos como estrellas de neutrones etc se ha postulado que el quark strange sería estable… ¿Hubo ciertos instantes después del Big Bang donde las excitaciones del campo de Higgs fueron tan estables como las demás?
    ¿Las únicas partículas realmente estables son fotones, electrones, neutrinos y quarks up?

    Saludos!
    Pablo

    1. Pablo, trataré de contestar tus preguntas:

      «¿Existen condiciones (presión, temperatura) donde el Higgs sería “estable”?»

      Hasta donde yo sé, para el Higgs del modelo estándar no existen dichas condiciones. Para que el Higgs sea «absolutamente estable» es necesario suprimir por algún mecanismo su acoplo a las demás partículas, con lo que en esas condiciones el campo dejaría de dar masa a dichas partículas. Podría ser metaestable con una vida media larga si se suprimieran los acoplos a los bosones W y Z, pero eso requiere física más allá del modelo estándar. De hecho, algunos físicos han propuesto un Higgs de este tipo como materia oscura. Ahora bien, en el marco del modelo estándar no es posible.

      «¿Hubo ciertos instantes después del Big Bang donde las excitaciones del campo de Higgs fueron tan estables como las demás?»

      Tan estables como un electrón o un quark up, nunca. Obviamente, el Higgs es más o menos tan «estable» como un W, Z, o un quark top. En la sopa primordial antes de la transición de fase electrodébil, los Higgs eran tan estables como estas otras partículas (todas eran partículas sin masa).

      «¿Las únicas partículas realmente estables son fotones, electrones, neutrinos y quarks up?»

      Se supone que «absolutamente estables» solo son las partículas de menor masa que tienen cierto número cuántico conservado (para electrones y neutrinos es el número leptónico, para los quarks es el número bariónico). La partícula supersimétrica más ligera tiene un número cuántico conservado (si se conserva la paridad R) y sería tan estable como estas otras partículas estables (de ahí que sea un buen candidato a la materia oscura). Si existe física más allá del modelo estándar también podrían existir otras partículas «estables» asociadas. Ahora mismo no se conoce ninguna (aunque hay muchas propuestas).

  3. Hola, muy interesante las aclaraciones. Aunque por mi parte tras estos últimos años ya ni veo los electrones como bolitas….solo sopa primordial ;).

    Tu frase «Pues porque el Big Bang produjo un número finito de excitaciones localizadas tipo partícula electrón y como esta partícula es estable y no puede desintegrarse en nada, dichas excitaciones localizadas o partículas se han conservado hasta hoy en día» es dura, dura……

    Un saludo.

  4. A veces se agradecen estas explicaciones para tontos, sobretodo para los que somos tontos curiosos. Y se que ha debido ser dificil, no es el nivel divulgativo que buscas en tu blog. Asi que más gracias aun.

  5. Muchas felicidades Francis.

    Siempre está lleno de frescura el blog y mi completa admiración por cierto por haber escrito al respecto del problema de Yang-Mills y el salto de masa, aún no acabo de leer tus artículos (por que aún no tengo el nivel necesario) pero eso es lo que me gusta de este blog lo aventurado y perfectamente documentado que está.

    Y respecto al tema, siempre ha sido muy interesante conocer la geometría de los electrones u otras partículas, sé que tal vez no tenga mucho sentido por el principio de incertidumbre simplemente me refiero a cómo debemos enseñar a los niños a imaginarse un protón o incluso el bosón de Higgs . Aunque sospecho que la «bolita» ya tiene todo un monopolio

    1. Alejandro, yo siempre que doy una charla sobre el Higgs comento la analogía con dos péndulos acoplados para el electrón.

      http://www.youtube.com/watch?v=FwjTcH7jOh8&w=200&h=200

      Un péndulo actúa como el electrón levógiro (eL), el dextrógiro (eR) y el Higgs como la cuerda que los une (eL h eR). Suelo comentar que un electrón es una partícula que oscila entre dos partículas sin masa (eL y eR) gracias a la interacción con el campo de Higgs.

  6. José Germán, cuidado, no colisionan protones, sino los partones que los constituyen.

    En el LHC colisionan dos paquetes de protones donde cada protón tiene una energía de 3500 GeV; la masa de cada protón es 0,94 GeV, valor que no cambia al acelerarlos, solo ganan momento y energía. Sin embargo, las colisiones inelásticas (las que producen partículas) son de gluón contra gluón, quark contra quark, o incluso gluón contra quark. La energía en la colisión la aportan los partones constituyentes del protón.

    La producción de un Higgs en el LHC, en más del 90% de los casos, es debida a la llamada fusión de gluones: dos gluones producen tres quarks top en triángulo que producen un bosón de Higgs; es decir, el Higgs se ha producido por la colisión de dos quark tops virtuales. En menos del 10% de los casos, los Higgs se producen de otros modos (pero siempre gracias a partículas de gran masa, es decir, de acoplamiento grande con el Higgs).

  7. ¿pero no estabas de vacaciones??

    yo los electrones los sueño como pompas de jabón, (todos sus puntos son accesibles con la misma probabilidad) que vuelan arrastradas por un tornado (el ojo del huracán es el nucleo del átomo). Cuando intentas tocarla, (llevas a cabo el experimento), la pompa entera se te colpsa en la punta del dedo.

    Se acabó la pompa, se acabó la probabilidad; de repente eres el amo, y posees (conoces) todas sus variables. …

  8. Hola! Me comentaba un amigo que el electron no se puede ver, y por tanto estariamos ante un asunto de fe. De hecho patece que sí hay debate realmente en la comunidad cientifica acerca de la existencia o no del electrón. Que me puedes decir sobre esto? Gracias!

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