Bosón de Higgs

Bosón de Higgs (o BEH) Imagen en Infobox. Eventos candidatos al bosón de Higgs en colisiones de protones en el LHC . Arriba, en el experimento CMS , una desintegración de dos fotones en verde. Abajo, en el experimento ATLAS , una desintegración en cuatro muones en rojo. Propiedades generales
Clasificación partícula elemental
Composición elemental
Familia bosón
Grupo campo de Higgs electrodébil
Símbolo H 0
Propiedades físicas
Masa

125,38 ± 0,14 GeV (CMS 2020)

125,35  ±  0,15  GeV (CMS 2019)
124,97  ±  0,24  GeV (ATLAS 2018)
125,03+0,26
−0,27( estadística )+0,13
−0,15( sys )  GeV  c −2 (CMS 2014)
125,36 ± 0,37 (stat) ± 0,18 (sys)  GeV c −2 (ATLAS 2014)
Carga eléctrica 0  C
Carga de color 0
Girar 0
Paridad +1
Esperanza de vida 1,56 × 10 −22  s ( modelo estándar )
Histórico
Predicción François Englert y Robert Brout
Peter Higgs
G. Guralnik , Carl Richard Hagen y Thomas Kibble (1964)
Descubrimiento 4 de julio de 2012 (anuncio)
15 de marzo de 2013 (confirmación)

El bosón de Higgs , también conocido con otros nombres como bosón BEH o partícula de Dios , es una partícula elemental cuya existencia, postulada independientemente en 1964 por François Englert y Robert Brout , por Peter Higgs y por Gerald Guralnik , Carl Richard Hagen y Thomas Kibble , ayuda explicar la ruptura de la interacción electrodébil unificada en dos interacciones a través del mecanismo Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble y así explicar por qué algunas partículas tienen masa y otras no. Su existencia se confirmó experimentalmente en 2012 gracias al uso del LHC y llevó a la atribución del Premio Nobel de Física a François Englert y Peter Higgs en 2013 .

El bosón de Higgs cuanto del campo de Higgs , da a una masa distinta de cero los bosones gauge de la interacción débil ( el bosón W y Z ), confiriéndoles propiedades diferentes a las del bosón de la interacción electromagnética , el fotón .

Esta partícula elemental constituye una de las piedras angulares del Modelo Estándar de física de partículas . El conocimiento de sus propiedades también puede orientar la investigación más allá del Modelo Estándar y allanar el camino para el descubrimiento de nueva física , como la supersimetría o la materia oscura .

La 4 de julio de 2012, CERN anuncia en conferencia que ha identificado, con un nivel de confianza del 99,999 97% (5  σ ), un nuevo bosón en un dominio de masas del orden de 125-126  GeV c −2 , que parece compatible con el de la Bosón de Higgs. Se sigue el anuncio, el17 de septiembre de 2012Por la publicación de dos artículos en la revista Physical Letters B . La15 de marzo de 2013, CERN confirma que, con toda probabilidad, es de hecho el bosón de Higgs.

Símbolo

El símbolo del bosón de Higgs es H 0 .

Descripción

El modelo estándar de física de partículas solo predice la existencia de un solo bosón BEH: se lo conoce como un "bosón de Higgs estándar" . De teorías más allá del Modelo Estándar , como la supersimetría , permiten la existencia de varios bosones de este tipo de masas y diferentes propiedades .

Investigación experimental

La búsqueda del bosón escalar (o bosón de Higgs) es una de las prioridades del LHC , el acelerador de partículas sucesor del LEP en el CERN , operativo desde10 de septiembre de 2008. El estado de la investigación endiciembre 2011no permite concluir en la existencia del bosón de Higgs, pero se apoya durante un seminario organizado entonces en el CERN que su propia energía, si existe, probablemente debe estar en el rango de 116 - 130  GeV según los experimentos de ATLAS y 115 - 127  GeV según los de la CMS . El LHC o el Tevatron ( colisionador de protones y antiprotones ) podrían descubrir un bosón de Higgs que satisfaga el modelo estándar o cinco bosones de Higgs (tres cargas eléctricas neutrales y dos portadoras) dependiendo de la predicción del modelo supersimétrico .

En un anuncio oficial largamente esperado, el CERN ha 4 de julio de 2012, confirmó a los medios de comunicación la existencia, con una probabilidad suficiente de 5  σ de certeza (correspondiente a 99,999 9%), de una partícula que presenta características consistentes con las esperadas del bosón de Higgs. Se deben medir otras propiedades, en particular la velocidad y los modos de descomposición de esta partícula, para una confirmación definitiva, que no cuestiona la naturaleza muy probable de este descubrimiento. Por tanto, esta identificación no significa todavía que sea necesariamente el bosón de Higgs el que se haya descubierto; Probablemente se necesitarán algunos años más de investigación para establecerlo.

El 14 de marzo de 2013, el CERN emitió un comunicado de prensa en el que indicaba que el bosón recién descubierto "se parece cada vez más" a un bosón de Higgs, aunque aún no se sabe con certeza si es del bosón de Higgs del modelo estándar .

La 28 de agosto de 2018Los físicos del CERN anuncian que han detectado, utilizando detectores Atlas y CMS, la desintegración del bosón en un par de quarks inferiores, confirmando así el modelo estándar.

Principio

La existencia del bosón escalar (Higgs) es demasiado breve para ser detectada directamente: solo podemos esperar observar sus productos de desintegración, o incluso los productos de desintegración de este último. Además, los eventos que involucran partículas ordinarias pueden producir una señal similar a la producida por un bosón de Higgs.

Además, una partícula solo puede observarse en un detector a energías mayores o iguales a su propia masa . Además, es abusivo hablar de masa para tal partícula, ya que en el modelo la masa ya no es una característica intrínseca de las partículas, sino una medida de sus interacciones con el campo de Higgs .

Finalmente, la complejidad de los fenómenos involucrados tanto en la producción como en la detección de estos bosones conduce a un razonamiento en términos de estadísticas más que en términos de identificación formal al 100% del bosón.

Por tanto, para afirmar un descubrimiento en física de partículas, la probabilidad de error debe ser inferior al 0,00006%, correspondiente a un intervalo de confianza de 5  σ . Por lo tanto, un enfoque estadístico de este tipo implica provocar un gran número de colisiones durante los experimentos para llegar a estos niveles de probabilidad.

Instrumentos y experimentos

La demostración directa de la existencia del bosón de Higgs requiere el uso de detectores específicos con aceleradores de partículas . Los siguientes experimentos intentan o han intentado detectar el bosón de Higgs:

en LEP ( colisionador de electrones y positrones ) ALEPH , DELPHI , L3 y OPAL . Para la búsqueda del bosón de Higgs, LEP falla por su energía relativamente baja. LEP operó desde 1989 hasta 2000. en el Tevatron (colisionador protón-antiprotón) DØ y CDF . A pesar de su energía máxima siete veces menor que la del LHC, el Tevatron permite menos ruido de fondo para las colisiones, y el uso de colisiones protón-antiprotón podría generar eventos específicos que no ocurren en colisionadores de protones / protones como el LHC. El Tevatron operó desde 1983 hasta 2011. en el LHC ( colisionador de protones - protones ) ATLAS y CMS . El LHC ha estado en funcionamiento desde 2009.

Otros instrumentos, en particular los colisionadores lineales de electrones y positrones como el Colisionador Lineal Internacional ( ILC ) y el Colisionador Lineal Compacto ( CLIC ), actualmente en fase de estudio, podrían facilitar la identificación del bosón de Higgs y comprender mejor los mecanismos. involucrado.

Sugerencias experimentales

Durante un tiempo se pensó que el bosón de Higgs se había detectado en LEP en 2000 . Sin embargo, la significación estadística fue demasiado baja para garantizar esta demostración. Los estudios realizados en 2002 en la LEP permitieron concluir que existe un 8% de probabilidad de que los eventos observados puedan explicarse sin involucrar al Higgs.

Los experimentos CMS y ATLAS en el LHC anunciaron en diciembre de 2011 que observarían excesos coherentes alrededor de 124 a 126  GeV c −2 . Estos excesos, menos de tres veces la desviación estándar , sin embargo, no son lo suficientemente estadísticamente significativas para validar con certeza el descubrimiento del bosón de Higgs.

Áreas de exclusión

Las experiencias pasadas y actuales llevan a excluir esta masa en reposo del bosón de Higgs de ciertos intervalos:

La energía limpia del bosón de Higgs se estima en 2012 en (125,3 ± 0,6)  GeV c −2 .

Más allá de varios cientos de GeV / c², la teoría cuestiona la existencia del bosón de Higgs estándar.

Origen de la masa

Se formularon varias preguntas sobre, entre otras cosas, el mecanismo y la masa de los bosones . Para dar una respuesta a estas preguntas, se introduce la noción de ruptura de simetría en la teoría electrodébil .

Simetría y ruptura de simetría

Las regularidades en el comportamiento de las partículas se denominan simetrías y están estrechamente relacionadas con las leyes de conservación . La simetría también está relacionada con el concepto de invariancia: si un cambio realizado en un sistema físico no produce ningún efecto observable, se dice que el sistema es invariante al cambio, lo que implica simetría (ver el teorema de Noether ).

La unificación electrodébil se basa en el concepto de que las fuerzas se generan mediante el intercambio de bosones. Cuando decimos que hay una fuerza entre dos fermiones (giro medio entero), también está diciendo que están intercambiando bosones. A partir de ahí debemos entender cómo adquieren masa los bosones que transmiten las fuerzas fundamentales. En el caso de la unificación electrodébil, ¿cómo adquieren masa los bosones W ± y Z ° cuando el fotón no?

Las simetrías de calibre requieren que los transmisores de fuerza (bosón de calibre) no tengan masa. Para sortear el problema de la masa de los bosones, Salam , Glashow y Weinberg tuvieron que inventar un mecanismo para romper la simetría de calibre permitiendo que W ± y Z ° adquirieran masa. Dichos mecanismos habían sido desarrollados en otros contextos por varios teóricos: Yoichiro Nambu , Jeffrey Goldstone , Sheldon Glashow, Peter Higgs y Philip Warren Anderson .

La idea es postular la existencia de un nuevo campo, apodado campo de Higgs .

Campo de Higgs

A diferencia de todos los demás campos conocidos, como el campo electromagnético , el campo de Higgs es un campo escalar y tiene un valor constante distinto de cero en el vacío. El campo de Higgs se diferenciaría de otros campos en que a baja temperatura (energía), el espacio "preferiría" estar lleno de partículas de Higgs que no. Los bosones W ± y Z ° interactúan con este campo (a diferencia del fotón) y se mueven a través del espacio como si se estuvieran moviendo en “melaza” espesa. De esta forma adquieren masa efectiva. A alta temperatura (energía), las interacciones en el campo de Higgs son tales que el espacio ya no se llena con esta melaza de Higgs (un poco como si la temperatura hubiera fluidizado la melaza), W ± y Z ° pierden su masa y el la simetría entre W ± , Z ° y el fotón ya no se rompe, se “restaura”. Se dice que es manifiesto. La masa de un fermión o de un bosón sería, por tanto, sólo una manifestación de esta interacción de las partículas con el campo de Higgs en el que se "bañan".

El campo de Higgs conserva la simetría a alta energía y explica la ruptura de la simetría a baja energía. Es responsable de la masa de los bosones electrodébiles, pero también interactúa con los fermiones (quarks y leptones), que adquieren así “masa”. Los más ligeros son los neutrinos , que hasta hace poco se creía que tenían masa cero; luego viene el electrón con una masa de 0.511  MeV  c −2 . En la parte superior de la escala se encuentra el quark top , que es, con mucho, la partícula elemental más pesada con sus 175  GeV  c −2 .

Preguntas residuales

Las partículas elementales (bosones, fermiones) adquieren masa debido al campo de Higgs, pero ¿por qué cada partícula adquiere una masa diferente, o incluso no adquiere masa en absoluto como en el caso del fotón? ¿Por qué la fuerza de la afinidad de las partículas con el campo de Higgs, llamado acoplamiento, es tan diferente de una partícula a otra y, por lo tanto, cómo explicar esta jerarquía de masas? Hoy en día, no conocemos las respuestas a estas preguntas, y la teoría del bosón de Higgs por sí sola no puede responderlas.

Metáfora del cóctel

El físico de partículas elementales David J. Miller comparó el bosón y el mecanismo de Higgs con un cóctel que reunía a miembros de un partido político.

El campo de Higgs se compara con el grupo de personas que inicialmente llenan una sala de estar de manera uniforme. Cuando una figura política conocida entra en la sala de estar, atrae a activistas a su alrededor, lo que le da una "masa" significativa. Esta reunión corresponde al mecanismo de Higgs, y es este el que asigna masa a las partículas.

No es el bosón el que da masa directamente a las partículas: el bosón es una manifestación del campo de Higgs y del mecanismo de Higgs que, por su parte, da masa a las partículas. Esto es comparable, en esta metáfora, al siguiente fenómeno: una persona de afuera, desde el pasillo, difunde un rumor a la gente que está cerca de la puerta. Una multitud de militantes se forma de la misma manera y se extiende, como una ola, por la habitación para transmitir información: esta multitud corresponde al bosón de Higgs.

La observación del bosón de Higgs sería, por tanto, una indicación muy fuerte de la existencia del mecanismo de Higgs, pero podría existir incluso si el bosón en sí no existe.

Masa de material habitual

Se puede considerar que solo el 1% de la masa de materia común es causada por el bosón de Higgs. De hecho, la materia habitual está formada por átomos, ellos mismos compuestos por electrones y nucleones (protones y neutrones). Sin embargo, la masa de los electrones es muy baja, y el 99% de la masa de los nucleones proviene de la energía de enlace (por la fuerza fuerte) entre los quarks, ellos mismos también muy ligeros.

Denominaciones

El propio Higgs de ninguna manera reclama la paternidad, algunos, como François Englert , consideran que es más relevante nombrar esta partícula "bosón BEHHGK", para Brout , Englert , Higgs , Hagen , Guralnik y Kibble , a veces simplificado en "bosón BEH" para Brout, Englert y Higgs (el último nombre adoptado por 47 son Rencontres de Moriond sobre física de partículas en La Thuile en 2012), o para llamar "masa de bosones escalares" o "ruptura de simetría espontánea de bosones (BSS) escalar".

“Nuestro artículo apareció en Physical Review Letters del 31 de agosto de 1964, cuando el artículo de Higgs solo se presentó. Y éste cita nuestro texto. Entonces tenemos la precedencia. Lo que Peter Higgs reconoce fácilmente. Digamos que hubo un co-descubrimiento, de forma independiente pero complementaria. El enfoque matemático fue diferente. No nos conocíamos. Empezamos a llamar a esta partícula "bosón de Higgs" y no hemos cambiado, mientras que los científicos saben que es el "bosón de Brout-Englert-Higgs" y el campo BEH. Prefiero llamarlo incluso de otra manera, es decir, "bosón escalar" y "campo escalar", que describe mejor la estructura de este bosón. "

- François Englert, entrevistado en La Libre Belgique

Las designaciones "partícula de Dios" y "partícula de Dios" son dos traducciones del apodo "  Partícula de Dios  " . Este apodo es de hecho una modificación impuesta por el editor del libro de Leon Lederman , que había escrito "  La maldita partícula  " (palabra por palabra "la maldita partícula", en francés corriendo "la maldita partícula" o "la maldita partícula"). Estos nombres, ampliamente utilizados por los medios de comunicación, son generalmente condenados por los físicos.

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Apéndices

Bibliografía

Artículos relacionados

enlaces externos