Divulgación Bosón de Higgs

[hennin]

Alguien me podría explicar qué es el bosón de Higgs sin entrar en tecnicismos muy complejos, y sobre todo, cómo hace que el resto de partículas tengan o no masa.
Muchas gracias

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Re: Bosón de Higgs

Hola hennin,

Por supuesto no te voy a explicar con tecnicismos, ni muy complejos ni fáciles, lo que es el bosón de Higgs, empezando por mi nivel, que no es el suficiente. Pero creo que una buena explicación de lo que es el bosón de Higgs te la puede dar un artículo que salió en Physics World escrito por Mary e Ian Butterworth (del Imperial Collegue de Londres) y Doris Vigdor Teplitz (de la Universidad Metodista del Sur, en Dallas, Texas). Este artículo ganó el concurso cuyo lema podria decirse que era The Higgs boson in one page. El artículo por supuesto está en inglés, pero voy a traducirlo, un poco freelance (esto es, por mi cuenta, sin usar traductores), pero espero no perder la esencia del texto.

''El bosón de Higgs es una partícula hipotética que, de existir, nos daría el mecanismo por el cual las partículas adquieren masa. La materia está formada por moléculas; las moléculas por átomos; los átomos por una nube de electrones de aproximadamente una cienmillonésima de centímetro y un núcleo de una cienmilésisma del tamaño de la nube de electrones. El núcleo está formado por neutrones y protones. Cada proton (o neutrón) tiene una masa aproximadamente dos mil veces mayor que la del electrón. Sabemos bastante bien por qué el núcleo es tan pequeño. Pero no sabemos cómo las partículas adquieren masa. ¿Por qué las masas son lo que son? ¿Por qué las proporciones de las masas son como son? No se puede decir que comprendemos los componentes de la materia si no tenemos una respuesta satisfactoria a esta pregunta.

Peter Higgs tiene un modelo en el que las masas de las partículas surgen en una bella pero compleja progresión. Empieza con una partícula que solo tiene masa, y ninguna de las otras caracterísitcas, como la carga, que distingue a las partículas del espacio vacío. Podemos llamar a esta partícula H. La partícula H interactúa con otras partículas: por ejemplo, si H está cerca de un electrón, hay una fuerza entre las dos. H pertenece a una clase de partículas llamadas bosones. Intentaremos primero dar una imagen más precisa, pero no matemática, del significado del modelo; después daremos imágenes explicativas.

En las matemáticas de la mecánica cuántica que describen la creación y aniquilación de partículas elementales, tal como se observa en los aceleradores, las partículas surgen en puntos concretos de campos esparcidos por el espacio y el tiempo. Higgs descubrió que los parámetros de las ecuaciones correspondientes al campo asociado con la partícula H se pueden elegir de manera que el estado de mínima energía de dicho campo (el espacio vacío) sea uno en el que el campo no es cero. Es sorprendente que el campo no sea cero en el espacio vacío, pero el resultado, nada obvio, es: todas las partículas que pueden interactuar con H ganan masa con la interacción.

Así pues, las matemáticas relacionan la existencia de H con una contribución de masa de todas las partículas con las que H interacciona. Una imagen que corresponde a las matemáticas es la del estado de mínima energía (espacio <<vacío>>) con una corona de partículas H sin energía propia. Las otras partículas adquieren sus masas interactuando con este conjunto de partículas H con energía cero. La masa (o inercia o resistencia al cambio de movimiento) de una partícula se debe a que es ''agarrada'' por partículas de Higgs cuando intentamos moverla.

Si las partículas adquieren su masa al interactuar con el campo de Higgs en el espacio vacío, entonces la partícula de Higgs debe existir; pero no podemos estar seguros hasta que la encontremos. Tenemos otras pistas acerca del Higgs; por ejemplo, si existe, desempeña un papel en la ''unificación'' de fuerzas diferentes. Sin embargo, creemos que la Naturaleza podría arreglárselas para producir de otras maneras los resultados derivados del Higgs. De hecho, demostrar que la partícula de Higgs no existe tendría tanto valor científico como demostrar que existe.

Estas cuestiones, los mecanismos por los que las partículas adquieren sus masas, y las relaciones con las distintas fuerzas de la naturaleza, son importantes y tan básicas para llegar a comprender los componentes de la materia y fuerzas entre ellos, que sin responderlas se hace difícil ver cómo podríamos hacer avances significativos en nuestro conocimiento del material del que está hecha la Tierra.

En otras palabras, a la ciencia todavía le quedan preguntas importantes por responder.''

Espero que la traducción no haya desvirtuado mucho el texto, pero repasándolo creo que tiene coherencia y dice lo mismo. Espero que te sirva.

Saludos,

[Aleksandr1048]

Re: Bosón de Higgs

Yo hace tiempo leí un artículo en el que se ofrecía una explicación de el bosón de Higgs sin entrar en ningún tipo de tecnicismo. Al parecer a principios de los años 90 el ministro de ciencia británico ofreció un premio multimillonario (una botella de champagne) a quien lograra explicarle en menos de 3000 palabras que era el bosón de Higgs. La explicación del ganador era algo así:
"Imagínate que estás en una fiesta y de repente entra un actor famoso, se trata de un actor tan ligero que no tiene masa y tan veloz que se mueve a la velocidad de la luz. Este actor nada más entrar se ve interrumpido por una oleada de personas que se acercan a él para pedirle un autografo, de este modo el actor pierde velocidad ya que no puede moverse libremente y además aparentemente adquiere masa ya que está rodeado de una multitud. En definitiva, el actor sería una partícula cualquiera, los fans serían los bosones de Higgs y esas interacciones que se producen entre ellos mientras gritan "es él, es el actor X", "fírmeme un autografo por favor"... formarían el campo de Higgs"

Me pareció una buena explicación y creo que el autor se merece la botella de champagne.

Espero que te haya servido de algo!

[Drell Yan]

Re: Bosón de Higgs

Hola, la base es de invarianza gauge. No sé si sabes lo q es, pero imagina q el fundamento matemátiko de las teorías cuántikas de campos consiste en realizar 1serie de transformaciones locales sobre éstos tales q las ecs de evolución de los mismos permanezcan invariantes y, x tanto, la físika no cambie. Si empiezas a construir tu teoría cn la lista de quarks y leptones (se representan matemátikamente x spinores q cumplan la ec de Dirac), entonces al realizar las transformaciones gauge sobre éstos citadas anteriormente, las ecs de evolución cambian y, x tanto, no hay invarianza gauge. La manera de arreglar ese problema teóriko es introducir los llama2 campos gauge (qse introducen como 1 conexión en la generalización de derivada covariante pa teorías gauge), de manera q gracias a su presencia matemátika y a su concreta manera de transformarse bajo las transformaciones anteriores, permiten restablecer la invarianza en el lagrangiano (los puedes ver como 'contratérminos'). Lo siguiente qhaces es dotar de dinámika a esos campos gauge, de manera qsu interpretación físika es la de campos mensajeros de las interacciones, tales q según el grupo de transformaciones de Lie al q correspondan, éstos transmitirán 1 determinado tipo de interacción (el modelo stándar usa el grupo su 3 x su 2 x u 1). El tema es q al hacer la teoría stándar teniendo en cuenta toas las interacciones a xcepción de la grav, hay otra cosa qte rompe la invarianza gauge, q es lo qllaman quiralidad, q no es + q las partículas cn helicidad 'a izkierdas' se comportan de distinta manera q las partículas cn helicidad 'a derexas' en presencia de las interacciones electrodébiles (concretamente, las de helicidad a izkierdas se transforman bajo el grupo su 2 mientras q las de a derexas no) (helicidad = proyección del mom angular de spin en la dirección del movimiento de la partícula). Y eso hace qlos términos de masa de los campos q aparecen en la teoría no sean invariantes gauge y qyo sepa el úniko mecanismo teóriko compatible cn la invarianza gauge conocido hasta ahora es el mecanismo de higgs (hay varias versiones de ste mecanismo, la + sencilla es introducir 1 campo scalar de spin 0 q se transforme bajo los grupos de Lie de tal manera q la invarianza gauge no se vea alterada).

La idea es q el Higgs tiene disponibles 1 serie de sta2 fundamentales de mínima energía y ninguno de ellos se encuentra en 1 posición privilegiada frente al resto (hay simetría), pero x alguna razón el Higgs decae en su stao fundamental 1 de esos posibles sta2 y al hacer eso se rompe la simetría qhabía antes. + técnikamente, lo qse hace es qse introduce 1 doblete complejo de su 2 compuesto x 4 campos scalares reales tal q dixo doblete se hace colapsar a brazo a 1 cierto stado de vacío, lo + típiko es hacer q 3 de ellos se anulen en el stado fundamental y q el restante no lo haga. La consecuencia directa de hacer eso es q los 3 anteriores pasan a ser bosones de Goldstone de masa nula tras la elección de vacío y el restante conserve su masa (de acuerdo cn el teorema de Goldstone). Sin embargo, en el modelo stándar, puedes hacer 1 elección gauge tal q dixos bosones de Goldstone no aparezcan xplícitamente en el lagrangiano, x lo q su presencia en la teoría se interpreta como algo meramente matemátiko sin efectos físikos.

Así, lo qte keda es el bosón de Higgs y es su interacción en el stado fundamental cn el resto de campos lo q genera la masa de éstos y permite q esos términos de masa describan 1 modelo invariante gauge totalmente relativista y kiral. El otro efecto importante es qcuando en la teoría vas a dar la masa a los campos gauge de la interacción electrodébil (su 2 x u 1), realmente éstos no poseen en su totalidad términos de masa bien defini2 (sí qhay invarianza gauge bajo el grupo anterior, pero los términos en los q aparece el parámatro de masa proporcionao x el acoplo cn el Higgs en su valor sperao de vacío no poseen la structura adecuada, x lo q es necesario redefinir los campos y, de esa forma, obtener nuevos campos qsí tengan términos de masa bien defini2). Eso origina 1 mezcla entre los campos, se dice q la simetría electrodébil se rompe y los bosones gauge del grupo su 2 x u 1 se mezclan para dar lugar a los bosones débiles z0, W+,- y al fotón (+ técnikamente matemátikamente el grupo su 2 (generador de isospin débil) x u 1 (generador de hipercarga) se rompe al grupo u 1 cn generador de la carga eléctrika, de manera q dixos campos tengan carga eléctrika bien definida o nula y tb masa o masa nula; el fotón tiene masa nula xq no se acopla al Higgs).

X supuesto la presencia de ste campo de Higgs tb tiene otros efectos sobre la físika, ya q interacciona cn otros campos no sólo en su stao fundamental, dando lugar a diferentes procesos entre partículas elementales.

Spero qte sirva, puede parecer q usé algunos tecnicismos pero creo q los pude usar xq pienso qse entiende fácil, aunq alguna cosa en plan avanzada creo qsimplemente la nombré x si tienes curiosidad en buskarla...

Saludos.

[ignorante]

Re: Bosón de Higgs

"Imagínate que estás en una fiesta y de repente entra un actor famoso, se trata de un actor tan ligero que no tiene masa y tan veloz que se mueve a la velocidad de la luz. Este actor nada más entrar se ve interrumpido por una oleada de personas que se acercan a él para pedirle un autografo, de este modo el actor pierde velocidad ya que no puede moverse libremente y además aparentemente adquiere masa ya que está rodeado de una multitud. En definitiva, el actor sería una partícula cualquiera, los fans serían los bosones de Higgs y esas interacciones que se producen entre ellos mientras gritan "es él, es el actor X", "fírmeme un autografo por favor"... formarían el campo de Higgs"

Me parece que en esta analogía un fotón sería un tipo común y corriente (feo y malvestido como yo) que llega a la fiesta (o a cualquier parte), y nadie voltea a mirarlo siquiera, ¿no? ¿Efectivamente los fotones no son afectados por el campo de Higgs? De ser así, ¿el modelo de Higgs explica el por qué?

[pablotrive]

Re: Bosón de Higgs

Muy buena explicación, me sirvió mucho. Me surgen unas dudas, si la "resistencia" al atravesar un campo de Higgs es lo que les da masa a las partículas, supongo que el bosón de Higgs también tiene que tener masa no? Que le da masa a este bosón? Por otro lado, si no tiene carga, como interacciona con partículas puntuales que no tienen estructura interna? Saludos!