El mecanismo de Higgs.
En 1964, Peter Higgs,
junto con François Englert y Robert Brout, y de forma independiente otros
grupos (Guralnik, Hagen y Kibble), mostraron que un campo escalar con una
energía potencial en forma de “sombrero mexicano” podía romper espontáneamente
la simetría de una teoría gauge.
Esta
ruptura resolvía una dificultad teórica esencial: permitía que ciertas
partículas mediadoras – que más tarde se identificarían como los bosones W y Z
– adquirieran masa sin destruir la consistencia matemática de la teoría gauge.
Además,
este análisis predecía que el campo tendría una mínima excitación observable:
el bosón de Higgs.
La
consolidación de esta propuesta llegó en 1967, cuando Steven Weinberg y Abdus
Salam incorporaron este mecanismo en un marco teórico completo: la teoría
electrodébil, que unifica la interacción electromagnética y la interacción
débil, como hemos visto en un capítulo anterior. Mostraron cómo la ruptura
espontánea del campo de Higgs
otorgaba masa a los bosones W y Z, mientras que el fotón permanecía sin masa.
Este paso convirtió la idea propuesta en 1964 en un mecanismo físico plenamente
integrado en el modelo estándar.
El campo de Higgs.
El campo de Higgs puede imaginarse como un campo invisible que permea
todo el universo. Interactúa con partículas como los quarks, los leptones
cargados y los bosones W y Z. El grado de interacción, o acoplamiento,
determina la masa que adquiere cada una: una interacción fuerte produce masas
altas – como ocurre con los bosones W y Z –, mientras que una interacción débil
genera masas pequeñas. Otras partículas, como el fotón o el gluon, no
interactúan con este campo y permanecen sin masa.
Esta idea
suele ilustrarse mediante analogías como la de una partícula que experimenta
“resistencia” al moverse por un medio. Aunque no es una descripción literal –
no hay fricción ni movimiento real a través del campo –, la metáfora ayuda a
transmitir que la interacción con el campo modifica la dinámica de cada
partícula y se manifiesta como masa.
El potencial del Higgs.
El comportamiento del campo de Higgs está determinado por su energía potencial (o simplemente potencial),
que puede imaginarse como un “paisaje energético” que asigna un valor de
energía a cada posible configuración del campo. Este paisaje permite
identificar cuáles de esas configuraciones son estables y cuáles no.
El
potencial del campo de Higgs tiene la forma característica de un sombrero
mexicano: una cima en el centro rodeada por un valle circular. El punto
central – el estado completamente simétrico – corresponde a un máximo
inestable del potencial, parecido a intentar equilibrar una pelota en lo
alto de una colina. Debido a esta inestabilidad, el campo no permanece en el
centro: en cuanto es posible, “cae” espontáneamente hacia algún punto del valle
que rodea la cima, donde la energía es mínima.
La
elección de uno de esos puntos del valle rompe la simetría inicial del sistema,
un fenómeno conocido como ruptura espontánea de la simetría, concepto
que ya vimos en el capítulo Las simetrías en la física. Antes
de la ruptura, todas las direcciones del valle eran equivalentes; después, la
elección de un punto concreto selecciona una dirección preferente y modifica el
comportamiento de los campos gauge asociados, dando masa a algunos de ellos
mientras otros permanecen sin masa.
En los
primeros instantes del Big Bang, el universo era tan caliente que el campo de Higgs se mantenía en el estado
simétrico del centro, sostenido allí por las altas energías térmicas. En esa
fase, el campo aún no había adquirido su valor en el vacío y, por tanto, las
partículas fundamentales no poseían masa y podían desplazarse a la velocidad de
la luz.
A medida
que el universo se expandió y su temperatura descendió por debajo de un valor
crítico, el potencial del Higgs cambió de forma efectiva y el campo cayó hacia uno
de los puntos del valle, su estado de mínima energía. Este proceso
desencadenó la ruptura espontánea de la
simetría: el potencial seguía siendo simétrico, pero el estado elegido por
el campo ya no lo era. Como consecuencia, muchas partículas adquirieron masa y
comenzaron a comportarse como las partículas masivas que hoy conocemos.
Cómo da masa el mecanismo de Higgs.
Cuando el universo se
enfrió tras el Big Bang y se produjo la ruptura espontánea de la simetría, el
campo de Higgs adquirió en todo el espacio un valor constante – el valor de
expectación del vacío o VEV
– cuyo valor es aproximadamente 246 GeV.
Una vez fijado
este valor, el campo de Higgs puede interactuar con las partículas
fundamentales. Pero surge una pregunta natural: si todas las partículas “viven”
en el mismo campo de Higgs, ¿por qué no adquieren la misma masa?
La clave
está en que el campo de Higgs no interactúa con todas las partículas con la
misma intensidad. Cada una posee un parámetro de interacción específico,
llamado acoplamiento de Yukawa, que
determina cuán fuertemente se acopla esa partícula al campo de Higgs.
En el
capítulo anterior, dedicado a la cromodinámica cuántica, vimos que Hideki
Yukawa, en 1935, propuso una interacción entre fermiones y un campo escalar
para explicar la fuerza nuclear fuerte. En los años 60, cuando se formuló el
mecanismo de Higgs, los físicos observaron que la interacción entre las
partículas y el campo de Higgs tenía la misma estructura matemática que aquella
interacción propuesta por Yukawa. Por ello recibe ese nombre.
Cada
partícula que interactúa con el campo de Higgs posee un acoplamiento de Yukawa propio, un número característico que no
viene determinado por ningún principio más profundo del modelo estándar (hasta
donde sabemos): es un parámetro que se introduce en la teoría y que debe
medirse experimentalmente.
Las masas
observadas resultan de aplicar la siguiente ecuación:
𝒎𝒇
= 𝒚𝒇 𝒗 / √ 𝟐
𝒎𝒇
= Masa del
fermión.
𝒎𝒇
= Acoplamiento
de Yukawa de ese fermión.
𝒎𝒇
= VEV del
Higgs (246 GeV).
Los acoplamientos de Yukawa conocidos
muestran una enorme jerarquía. Algunos
ejemplos significativos:
electrón: acoplamiento ≈ 3 x 10⁻6.
quark top: acoplamiento ≈ 1 (el
mayor de todos).
neutrinos: acoplamientos
extremadamente pequeños (<10⁻¹¹).
El amplio
rango de acoplamiento – desde casi 1 hasta valores increíblemente pequeños – es
el responsable de que las partículas tengan masas tan distintas entre sí.
El bosón de Higgs.
El bosón de Higgs es la excitación cuántica más elemental del campo de Higgs, del mismo modo que el
fotón es la excitación del campo electromagnético. Es extremadamente inestable:
vive en torno a 10-22 segundos antes de desintegrarse en otras
partículas. Su producción es además muy poco frecuente, lo que hace su
observación experimental especialmente difícil.
En 2012,
los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN
anunciaron la detección de una nueva partícula con una masa y unas propiedades
compatibles con las predichas para el bosón
de Higgs. Este hallazgo confirmó la existencia del campo de Higgs y validó el mecanismo mediante el cual las
partículas fundamentales adquieren masa.
François
Englert y Peter Higgs, el 4 de julio de 2012 en el CERN (©
CERN-HI-1207136-101).
Permitid la recomendación de la lectura de un texto hecho expresamente
para el 10º Aniversario (2022) por Alicia Calderón Tazón (IFCA):
¡Un nuevo bosón en la familia!
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