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Casi 50 años después de su predicción, los físicos de partículas finalmente capturaron el bosón de Higgs. Así que el Comité Nobel ha otorgado el premio de física de este año a dos de los teóricos que iniciaron esta búsqueda de partículas. François Englert de la Universidad Libre de Bruselas (ULB) y Peter Higgs de la Universidad de Edimburgo, Reino Unido, derivaron de forma independiente un modelo que explica por qué las partículas no son sin masa, y este modelo requiere la existencia del bosón de Higgs. Ambos artículos fueron publicados en 1964 en Physical Review Letters.
El bosón de Higgs es la pieza final del modelo estándar de física de partículas a observar, después de décadas de búsqueda. En junio de 2012, el CERN anunció con mucha fanfarria que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Ginebra había descubierto una partícula con las propiedades correctas para ser el bosón de Higgs, lo que significaba que los investigadores habían confirmado una teoría fundamental de la masa.
El bosón de Higgs técnicamente no da masa a otras partículas. Más precisamente, la partícula es una manifestación cuantizada de un campo (el campo de Higgs) que genera masa a través de su interacción con otras partículas. Pero, ¿por qué no se puede suponer que la masa es un hecho?
La respuesta se remonta al trabajo anterior en teoría cuántica de campos. Los campos cuánticos son similares a los campos más familiares, como los campos eléctricos y magnéticos. Pero los campos cuánticos contienen estados excitados que observamos como partículas. Estos campos se pueden dividir en campos de materia (cuyas partículas son electrones, quarks, etc.).) y campos de fuerza (cuyas partículas son fotones, gluones, etc.). A finales de la década de 1940, los teóricos demostraron que una teoría cuántica de campos de fotones y electrones podría explicar con éxito las interacciones electromagnéticas a alta energía.
Sin embargo, la teoría tenía problemas para modelar las interacciones nucleares. El corto alcance de la fuerza nuclear débil implicaba que sus partículas correspondientes tenían masa, en contraste con el fotón sin masa, la partícula asociada con los campos electromagnéticos. Simplemente pegar una masa sobre una partícula portadora de fuerza tuvo efectos desastrosos, causando que ciertas predicciones divergieran hasta el infinito. A principios de la década de 1960, los teóricos estaban ocupados buscando formas alternativas de introducir la masa en la teoría.
La solución formulada por Higgs, Englert y Robert Brout (quien trabajó con Englert en la ULB, pero ahora ha fallecido) propone que todo el espacio se llene con un campo que interactúa con las partículas de fuerza débil para darles masa. Lo hace porque se supone que el campo no es cero en el espacio vacío. Este estado fundamental distinto de cero viola una simetría que se considera fundamental para la teoría cuántica de campos. Trabajos anteriores habían demostrado que este tipo de ruptura de simetría conducía a una partícula sin masa y sin espinas que era descartada por los experimentos . Englert, Brout y Higgs mostraron cómo se podía hacer desaparecer esta partícula no deseada acoplando el campo de llenado de espacio al campo de fuerza débil. Cuando calcularon todas las interacciones, descubrieron que las partículas de fuerza efectivamente tenían una masa, y que la partícula no deseada, sin masa y sin espín era absorbida esencialmente por las partículas débiles. Estas partículas ganaron un tercer estado de espín como resultado, y la única partícula sin espín restante fue el bosón de Higgs masivo. Una teoría similar fue desarrollada por un tercer equipo de teóricos en el mismo año .
El trabajo posterior mostró que el mecanismo Brout-Englert-Higgs (o» mecanismo de Higgs», para abreviar) podía dar masa no solo a partículas débiles, sino también a electrones, quarks y otras partículas fundamentales. Cuanto más fuertemente interactúa una partícula con el campo de Higgs, más masiva es. Sin embargo, es importante tener en cuenta que la mayor parte de la masa en partículas compuestas, como protones, núcleos y átomos, no proviene del mecanismo de Higgs, sino de la energía de unión que mantiene unidas a estas partículas.
«Brout, Englert y Higgs presentaron una idea muy inteligente, ahora conocida como el mecanismo de Higgs», dice Michael Turner de la Universidad de Chicago. «Proporciona una explicación para una de las preguntas más simples que uno puede hacer: ¿por qué las partículas tienen masa? Una pregunta tan simple, pero muy profunda, que muchos ni siquiera piensan en formularla.»Para validar este mecanismo, los físicos de partículas construyeron el LHC, la máquina más grande y tecnológicamente más sofisticada jamás construida, dice Joseph Incandela, portavoz del experimento CMS, que fue uno de los detectores que detectaron el bosón de Higgs. «Creo que la gente ve esto y siente que la física de partículas ha logrado algo como un alunizaje aquí», dice.
–Michael Schirber
Michael Schirber es un Editor de Física con sede en Lyon, Francia.
- J. Goldstone, » Field theories with Superconductor Solutions, «Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam, y S. Weinberg,» Broken Symmetries, » Phys. Rev. 127, 965 (1962)
- G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, «Global Conservation Laws and Massless Particles,» Phys. Reverendo Lett. 13, 585 (1964)
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Phys. Reverendo Lett. 13, 508 (1964)
Publicado el 19 de octubre de 1964
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F. Englert y R. Brout
Phys. Reverendo Lett. 13, 321 (1964)
Publicado el 31 de agosto de 1964
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