Historia de la teoría del Bosón de Higgs.

1. HISTORIA DEL HIGGS:
¿Qué pasa con la masa?
Parte I: El Modelo Estándar
Ramón Ríos Sieiro.

2. EL MODELO ESTÁNDAR.
• Es el equivalente a la tabla periódica de los elementos en Química.
• Contiene todas las partículas elementales necesarias para formar toda la
materia, más las fuerzas que actúan sobre ellas.
• En este modelo, las partículas se unen unas a otras mediante 3 fuerzas,
cuyos vehículos son otras partículas.
• Este modelo es incapaz de explicar la masa de las partículas.
• En este modelo falta la fuerza de la gravedad. Nadie ha sido capaz de
integrarla de manera coherente.
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3. EL MODELO ESTÁNDAR.
MATERIA
1ª Generación 2ª Generación 3ª Generación
Quarks
Up(u) Encanto(c) top (t)
Down (d) Extrañeza (s) Belleza(b)
Leptones
Neutrino electrónico(νe) Neutrino muónico(νμ) Neutrino taónico (ντ)
Electrón (e) Muón (μ) Tau (τ)
FUERZAS Bosones Gauge
Electromagnetismo Fotón (γ)
Interacción débil W- ,W+, Z0
Interacción Fuerte 8 Gluones
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4. QED: Quantum Electrodynamic.
• En 1927 Dirac une la teoría de la relatividad y la cuántica en su teoría sobre
el electrón.
• En los 40 se trató de unir el magentismo.
• Sin embargo al utilizar la teoría cuántica con el electromagnetismo
aparecían los temidos infinitos.
• Para superar esto nació la QED: Es una teoría de campos que da una
imagen de cómo se transmite la fuerza entre dos partículas, por ejemplo, 2
electrones. El mecanismo es:
– El campo está cuantizado (cuantos = más partículas).
– Pero no son partículas de materia, son las partículas del campo.
– Transmiten la fuerza al viajar a la velocidad de la luz entre dos
partículas de materia.
– Estas partículas mensajeras en la QED son los fotones.
– Otras fuerzas tendrán otras partículas.
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5. QED: PARTÍCULAS VIRTUALES.
• Existen dos manifestaciones posibles de las partículas: reales y virtuales.
• Según las reglas de la cuántica una partícula puede ser creada si se tiene la
energía adecuada.
• Por Heisenberg : ΔΕ Δt > h/2Π
• El espacio vacío puede estar lleno de estos objetos fantasmagóricos:
fotones virtuales, electrones y positrones virtuales, quarks y antiquarks …
• Alrededor de un electrón real se encuentra una nube de fotones virtuales
que comunican a todas partes la presencia del electrón y además pueden
modificar sus propiedades.
• Las partículas mensajeras de las fuerzas son casi siempre virtuales
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6. QED : El Muón I
• Como el muón es mucho más pesado que el electrón(200 veces más), sus partículas
mensajeras deben tener más energía (más inestables).
• El campo influye en las propiedades del muón con una intensidad aún mayor.
• Dirac predecía un valor de g = 2
• La QED introducía unos pequeños ajustes en este valor.
• Esto se debía a que el muón o el electrón “sienten” las pulsaciones cuánticas del campo a su
alrededor.
• Una partícula cargada puede emitir un fotón.
• Este fotón puede disolverse en un electrón y un positrón , y restaurarse nuevamente sin que
nadie pueda verlo.
• El electrón virtual , el positrón virtual, el campo magnético virtual afectan al electrón y lo
conectan debilísimamente con las demás partículas cargadas.
• El electrón “desnudo” es un objeto imaginario aislado de las influencias del campo.
• Lo mismo sucede con el muón, pero en este caso los fotones virtuales son más energéticos. 6
Ramón Ríos Sieiro

7. QED : El Muón (I)
• En 1959* se midió un valor de g para el muón de 2,0001165923
0,00000008.
• Lo que confirmaba la QED como una gran teoría.
• Sin embargo seguía habiendo problemas: la QED predecía una masa
infinita para el electrón. Pero pesa en realidad 0,511 Mev (peso mosca de
las partículas).
• Feynman corrigió este problema mediante la “renormalización”.
• Con esto el problema de la masa fue esquivado pero no resuelto.
* El experimento está descrito en la página 400 del libro La Partícula Divina de Leo Tederman
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8. La interacción débil I: El neutrino.
• Algunos núcleos (y partículas) se desintegran en otros núcleos
Radiactividad (Becquerel 1896)
• Los núcleos emiten electrones cuando experimentan un cambio espontáneo
de estado.
• Si se mide la masa del núcleo inicial, la masa del núcleo final y la masa y
energía del electrón emitido, la suma no da : Se pierde energía.
• Pauli sugiere que algo “neutro” se lleva la diferencia.
• En 1933 Fermi afirma que el neutrón del núcleo se desintegra en un protón,
un electrón y en el objeto neutro de Pauli, que Fermi bautizó como
neutrino(en realidad será un antineutrino).
• De esta interacción es responsable una fuerza, la interacción débil.
• A baja energía es una milésima de la intensidad de la electromagnética.
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9. La interacción débil II: Protones y neutrones.
• La desintegración descubierta por Fermi les sucede a los neutrones libres de forma
habitual.
• Sin embargo, en el núcleo sólo les sucede en determinadas circunstancias.
• Por el contrario, el protón libre no se desintegra(que se sepa), pero en el núcleo el
protón ligado puede dar lugar a un neutrón, un positrón y un neutrino.
• ¿Porqué?  Conservación de la energía.
• Un neutrón tiene bastante más masa que un protón. Cuando se desintegra hay
bastante masa en reposo para crear el e- y el n y despedirlos con un poco de energía.
• Un protón tiene poca masa para poder hacer eso, pero en el núcleo la presencia de
las demás entidades altera la masa de una partícula ligada.
• Si los protones y neutrones del núcleo pueden desintegrándose, aumentar la
estabilidad y reducir la masa del núcleo, lo harán.
• Todos los hadrones (protones, neutrones y cientos de ellos más) se ven inducidos a
desintegrarse por la interacción débil, el protón libre es una excepción.
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10. La interacción débil III: Simetría rota.
• La interacción débil no conserva la paridad (P)
• Tampoco conserva la conjugación de carga (C), esta simetría compara la materia y
la antimateria.
• Los teóricos razonan la existencia de una nueva simetría: CP.
• “Dos sistemas físicos son idénticos si uno está relacionado con el otro mediante , a la vez, la
reflexión de todos los objetos en un espejo y la transformación de todas las partículas en
antipartículas”.
• En 1964 dos experimentadores Val Fitch y James Cronin descubrieron que esta
nueva simetría no era perfecta.
• Tras el Big Bang, toda la materia y la antimateria se aniquilaron y dejaron una
radiación pura en esencia, demasiado fría para crear materia !!
• ¿Por qué somos materia? La simetría no es perfecta.
• El resultado de que CP esté ligeramente rota es un exceso de materia con respecto a
la antimateria (por cada 100.000.000 pares de quark anti-quark hay un quark extra.
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11. La interacción débil IV: El Neutrino muónico.
• a) La teoría de la interacción débil funcionaba mal para energías altas.
• b) Nada impedía que un muón se desintegrase en un e- y un γ, pero esta reacción nunca se observaba.
• En 1960 se realiza en el AGS(Sincrotón de Gradiente Alterno) del CERN un experimento* en el cual
se hacía incidir un haz de neutrinos generados por muones sobre núcleos de aluminio.
• Se observó que la gran mayoría de las colisiones daba lugar a un muón (no a un e-) y un núcleo
excitado.
• La explicación era que los neutrino procedentes de los muones tenían una propiedad específica
(“muonidad”).
• La conclusión era que se éxistían dos tipos de neutrinos: el neutrino electrónico y el neutrino
muónico.
• Esto resolvía el misterio de la reacción no observada : μ –> e- + γ
• En realidad un μ se desintegra primero en un e- y dos neutrinos, uno normal y un
antineutrino, cuando estos se aniquilan dan lugar al γ
• Pero nadie veía esos fotones porque en realidad los dos neutrinos que se generaban eran uno
electrónico y otro muónico con lo cuál no se aniquilaban para dar lugar a ningún fotón.
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12. La interacción fuerte I:
• Los Hadrones son partículas compuestas por quarks y/o antiquarks.
• Se dividen en dos tipos :
– Bariones: Compuestos por 3 quarks
– Mesones: Compuestos por 1 quark y 1 antiquark
• Existen muchas familias de hadrones: Piones, Kaones, Sigma, Nucleones (Protón y neutrón)
• Estas familias se forman por partículas de masa y comportamientos similares en las colisiones
fuertes.
• Cuando se intentó clasificar a los cientos de hadrones en función de varias propiedades como: la
extrañeza, el número bariónico, el isospín… se observó cierta periodicidad que reflejaba la
existencia de una organización interna.
• En 1964 Gell – Mann propuso que estos patrones se podían explicar con 3 “construcciones lógicas”.
Las llamó QUARKS.
• Sin embargo negaba su existencia real, ya que tendrían que tener cargas eléctricas del orden de 1/3,
2/3 -1/3… y en la nbaturaleza sólo hay cargas enteras múltiplo de la del e-.
• Los 3 Quarks recibieron el nombre de up, down y extraño : u , d, s.
• Por supuesto también había sus correspondientes antiquarks: u , d, s.
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13. La interacción fuerte II:
• Así tenemos por ejemplo las siguientes composiciones:
– Bariones:
• Protón: u u d con cargas 2/3, 2/3,-1/3
• Neutrón: u d d con cargas 2/3 ,-1/3 ,-1/3
– Mesones:
• ᴨ :u d
+
• ᴨ: d u
-
• k+: u s
• Todas las propiedades de un compuesto quedaban determinadas por sus
quarks constituyentes.
Ramón Ríos Sieiro 13

14. La interacción fuerte III:
¿Porqué no se desintegra el p+ ? : Leyes de conservación.
• Todos los hadrones son bastante inestables y se descomponen en otras partículas al cabo de poco
tiempo.
• Sin embargo, el p+ no se desintegra, es bastante estable cuando se encuentra en soledad (no así
en el núcleo de algún átomo pesado)
• La clave está en la conservación del número bariónico:
– Los p+ , los n y todas las partículas formadas por 3 quarks, tienen de número bariónico 1
– Los mesones y los leptones tienen por número bariónico 0.
– El protón sólo puede desintegrarse en mesones o leptones, que tienen número bariónico 0.
– Como el número bariónico se conserva, el protón no puede desintegrarse.
– Por lo tanto tenemos que:
 Por conservación de número bariónico no puede desintegrarse en piones.
 Por conservación de la energía no puede desintegrarse en positrón, neutrino y neutrón.
 Por conservación de la carga no puede desintegrarse en fotones o neutrinos.
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15. La interacción fuerte III:
¿Porqué unos bariones viven mucho más que otros?: Leyes de
conservación.
• Algunos bariones viven mucho más de lo que se esperaría por la masa que
tienen.
• La clave está en el quark s : en la extrañeza.
– La extrañeza en una partícula supone la presencia de un quark de tipo s.
– El k (por ej.) se desintegra y un quark s se convierte en un quark d más ligero.
– En este proceso interviene la interacción débil no la fuerte.
– Es decir, la interacción fuerte conserva la extrañeza pero la débil no.
– Como la interacción débil “es débil” , es lenta y la vida media es larga: 10-10
segundos en lugar de 10-23
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16. DESCUBRIMIENTO DEL ENCANTO (C) I:
• Una propiedad de los quarks es que nunca están solos: no pueden separarse.
• La energía requerida para separarlos es suficiente como para crear una
pareja quark-antiquark.
• ¿Cómo pudieron entonces detectarlos y distinguirlos? Experimento del
dimuón(1968)*:
– Se hacían chocar protones
– En el choque se emitía un γ
– El γ se desintegraba en un muón y su antimuón.
– Este γ se genera cuando un quark del protón incidente choca contra un
antiquark del protón del blanco.
Ramón Ríos Sieiro 16
*Descrito en página 435 del libro La Partícula divina

17. DESCUBRIMIENTO DEL ENCANTO (C) II:
• Por el principio de incertidumbre, cuanto más energético sea el γ , más
inestable sería y por lo tanto se medirían menor número de pares muón-
antimuón.
• Es decir se esperaría este comportamiento:
• Sin embargo lo que se encontró fue este otro:
Ramón Ríos Sieiro 17

18. DESCUBRIMIENTO DEL ENCANTO (C) III:
• Se observó que para una masa de 3 Gev se presentaba una joroba “joroba de Lederman”,
esto era un suceso totalmente inesperado.
• Para explicar este suceso Glashow propone la existencia de un cuarto quark (1970) al
que llamó charm: c (encanto)
– Este quark junto con su antiquark dan lugar a un mesón neutro c c.
– La desintegración de este mesón de masa 3 Gev da lugar a dos muones que eran los
medidos en el experimento de Drell-Yann-Lederman.
– Al chocar los protones con una energía de 3 Gev en lugar de producirse el fotón se
producía este mesón que degeneraba en los 2 muones detectados y de ahí la
presencia de la joroba en la gráfica.
– Al mesón creado se le llamó J/psi
Ramón Ríos Sieiro 18

19. DESCUBRIMIENTO DEL ENCANTO (C) IV:
• Dos cosas sorprendían del J/psi
– Su gran masa : 3,1 Gev
– Lo fina que era la “joroba”
• ¿Qué implica una joroba fina? : Una distribución de
masas pequeña(incertidumbre de la masa pequeña)
Una vida media muy larga.
• Sin embargo habíamos dicho que una gran masa implicaba inestabilidad .
• Algo impedía que el mesón se desintegrase pero ¿qué?
Ramón Ríos Sieiro 19

20. DESCUBRIMIENTO DEL ENCANTO (C) V:
• Sin duda debía ser algún tipo de conservación.
• Pues al igual que la extrañeza representaba la presencia del quark s, se
razonó que debería haber un nuevo número cuántico que representase el
encanto.
• Las leyes de conservación de la interacción fuerte no permiten que un
quark c se convierta en un quark de una masa menor.
• Por lo tanto debemos echar mano de la interacción débil, que como ya se
dijo actúa más despacio y de ahí que la vida media sea tan grande.
Ramón Ríos Sieiro 20

21. DESCUBRIMIENTO DE LA BELLEZA (b) I:
• En los experimentos realizados para hallar el J/psi las energías alcanzadas no
superaban los 6 Gev.
• Los físicos se preguntaban si al realizar colisiones más energéticas no aparecerían
nuevos picos.
• Se mejoraron los aparatos del FermiLab hasta lograr explorar los 25 Gev
• Y efectivamente aparecieron 3 nuevos picos a: 9.4 , 10.0 y 10.4 Gev
• En este caso el mesón encontrado se bautizó como upsilón
• El upsilón estaría formado por un nuevo quark llamada beauty o botton b y su
correspondiente antiquark
• Como la masa del upsilón rondaba los 10 Gev , la masa del b debería de ser de unos
5 Gev
• En este caso lo que se conservaba era la belleza.
• Los 3 picos se correspondían con un estado fundamental y dos excitados del
upsilón.
Ramón Ríos Sieiro 21

22. Partículas mensajeras de la interacción débil: W+,W-, Z0
• Como ya se dijo, los hadrones son inestables.
• En estas desintegraciones unos quarks se convierten en otros.
• Es la interacción débil quién dirige estas operaciones y lo hace gracias a 3
partículas mensajeras de su fuerza: w+,w-, z0
• Estas 3 partículas han de tener masa.
• Ya que el alcance de una fuerza es inversamente proporcional a la masa de
la partícula mensajera: El fotón , mensajero del electromagnetismo tiene
masa cero por ejemplo.
• ¿Porqué eran necesarias 3 partículas?
Ramón Ríos Sieiro 22

23. Partículas mensajeras de la interacción débil:
La desintegración del neutrón
• La reacción vista de forma superficial sería la siguiente:
n p+ + e- + νe
• Cuando un n se convierte en un p+ un quark up se convierte en un quark down.
• Como se ve en la imagen en la reacción interviene el w-, es un proceso dedos etapas:
1. d-1/3 w- + u2/3
2. w- e- + νe
• w- en (1) tiene que ser negativa para que se conserve la carga
Ramón Ríos Sieiro 23

24. Partículas mensajeras de la interacción débil:
La desintegración del protón
• En los núcleos el protón también se desintegra, en este caso la reacción es
la siguiente:
• Como se ve en la figura, ahora un quark u se convierte a un quark d
• La reacción es un proceso en dos etapas:
• u  w+ + d
• w+  e+ + νe
• En este caso la partícula mensajera tiene que ser positiva.
Ramón Ríos Sieiro 24

25. Partículas mensajeras de la interacción débil:
Corrientes neutras. El z0
• ¿Qué pasa cuando un νμ choca con un quark u de un protón?
• La colisión genera un d y un muón:
νμ + u-2/3 d-1/3 + μ+1
• En realidad también hay una reacción intermedia en la que participa un w:
1) νμ  w- + μ+1
2) w- + u  d
• Como veis el w debe ser negativo para que haya equilibrio de cargas.
• Pero en ocasiones la reacción es esta:
νμ + u-2/3  νμ + u-2/3
• Aquí el neutrino debe emitir una partícula mensajera que golpee el quark
u (y que sea tragada por éste).
• Esa partícula mensajera debe ser neutra , es el Z0.
• La masa de esa partícula es de 91 Gev.
Ramón Ríos Sieiro 25

26. Partículas mensajeras de la interacción fuerte:
Los gluones. (I)
• Los quarks tienen “libertad asintótica” .
• La interacción fuerte se debilita cuanto más cerca están unos
de otros. Y se agranda con la distancia.
• Esto significa que los quarks cuando están muy juntos
Gluones manteniendo a los quarks juntos para
se portan como si fueran libres!! formar un protón.
• La interacción fuerte se debilita a altas energías, justo al contrario
de lo que le sucede a la fuerza eléctrica.
• ¿Cómo puede un protón estar formado por dos quarks up si el Principio de Pauli
excluye la posibilidad de que haya dos partículas en el mismo estado?
Ramón Ríos Sieiro 26

27. Partículas mensajeras de la interacción fuerte.
Los gluones (II) : El Color
• La respuesta es: gracias al color.
• El color es una propiedad abstracta de los gluones, equivalente a la carga eléctrica del electrón.
• El color explica las combinaciones de quarks para formar los diferentes hadrones.
• Por ejemplo en el protón hay un quark rojo, uno verde y un azul, cuya mezcla da blanco, es decir
incoloro.
• En los mesones un quark rojo se combina con un antirojo, resultado: incoloro.
• Las partículas mensajeras que transmiten el color son los gluones.
• Los gluones (hay 8 tipos) llevan dos colores -un color y otro anticolor- y al ser emitidos o
absorbidos por un quark cambian su color.
• Por ejemplo un gluón rojo-antiazul convierte un quark rojo en un quark
antiazul.
• Esta teoría se bautizó con el nombre de Cromodinámica cuántica.
• La interacción fuerte en tre neutrones y protones es el efecto residual de estos gluones.
Ramón Ríos Sieiro 27

28. El puzzle está… ¡Incompleto!
• Hemos hecho un repaso al modelo estándar .
• Ya tenemos todas las partículas constituyentes de la materia, las partículas
transmisores de la fuerza y sus correspondientes antipartículas.
• Sin embargo este modelo no es lo completo que desearíamos y además presenta
los siguientes problemas:
– Las ecuaciones de la interacción débil no funcionan a altas energías.
– El modelo estándar indica que las masas de las partículas mensajeras
debían de ser todas cero.
– Qué las partículas mensajeras de la interacción débil sean tan masivas y la
del electromagnetismo tenga masa cero, complica mucho las cosas para
poder unificar ambas fuerzas.
– Existe gran variedad de partículas y antipartículas, se echa de menos una
estructura más simple que explique de forma más sencilla la naturaleza.
– ¿Qué pasa con la gravedad? ¿También tiene una partícula mensajera de su
fuerza? La gravedad cuántica sigue siendo una frontera inalcanzable.
Ramón Ríos Sieiro 28

29. HISTORIA DEL HIGGS:
¿Qué pasa con la masa?
Parte II: El Desenlace
Ramón Ríos Sieiro.

30. Problemas con el modelo estándar:
La quimera de la unificación.
• La búsqueda de una teoría simple que lo abarque todo, que sea capaz de
unificar las fuerzas es el objetivo último de la física.
• Esta teoría debe ser una teoría cuántica de campos que incorpore la
relatividad especial y una simetría gauge(es decir que sea renormalizable)
• Noether (1918) : Para cada simetría hay una ley de conservación
– Simetría rotacional: Conservación momento angular.
– Simetría translacional: Conservación momento lineal.
– Simetría temporal: Conservación de la energía.
– Simetría especular: Conservación de la paridad.
• La QED es la teoría que aúna la interacción débil con el
electromagnetismo, en la llamada fuerza electrodébil.
• La interacción débil viola la paridad.
• La QED es invariante bajo una transformación gauge. La cantidad que se
conserva es algo más abstracto que puede identificarse con la
carga(eléctrica, de sabor o de color)
Ramón Ríos Sieiro 30

31. Problemas con el modelo estándar:
La quimera de la unificación.
• La simetría gauge asegura que el vehículo de la fuerza, el fotón, carece de
masa.
• La carencia de masa está asociada a la simetría gauge, por esto se le llama
al fotón bosón(espín entero) gauge.
• Por lo tanto, como la interacción débil y la fuerte exhiben simetría
gauge, también deben tener partículas mensajeras: W y Z. También
conocidas como bosones gauge.
• La simetría gauge exige que todas estas partículas tengan masa cero en
reposo. (Conservación de la quiralidad)
• ¿Cómo tenemos bosones gauge con tales diferencia de masa? (Se oye un susurro
que proviene del vacío: “Campo de Higgs, campo de Higgs…)
Ramón Ríos Sieiro 31

32. Problemas con el modelo estándar:
El problema de las altas energías.
• Cuando se les pide a las teorías de campos de fuerzas que predigan
resultados con altas energías, patinan de manera evidente, “vomitan
absurdos físicos” (Lederman).
• ¿Cómo es posible que una teoría que funcionatan bien a bajas energías
prediga cosas sin sentido a energías tan altas?
• La teoría tiene que estar dejando algo fuera,algún fenómeno nuevo que
cuando se instale, contribuya de manera clave a altos niveles de energía.
(Se oye un susurro que proviene del vacío: “Campo de Higgs, campo de Higgs…)
• Como sucede con la teoría de Newton que funciona bien para fenómenos
ordinarios pero a velocidades cercanas a la de la luz es incapaz de obtener
resultados coherentes.
Ramón Ríos Sieiro 32

33. Problemas con el modelo estándar:
El problema de la complejidad.
• Si quisiéramos construir un universo, tendríamos que especificar unos 20
parámetros: masas de los quarks y leptones, intensidades de las fuerzas,
relaciones entre las fuerzas…
• Con esos números básicos los demás podrían deducirse a partir de ellos.
• Tenemos 6 quarks, 6 leptones, 12 bosones gauge mensajeros de las fuerzas,
sus correspondientes antipartículas… esto parece demasiado. (Se oye un
susurro que proviene del vacío: “Campo de Higgs, campo de Higgs…)
• La experiencia dice que una teoría que explique todo debería dar lugar a un
modelo más sencillo. Se trata de un problema estético en realidad.
• Por supuesto, nunca estamos teniendo en cuenta la gravedad.
Ramón Ríos Sieiro 33

34. Higgs… por fin:
• La idea nueva es:
– “El espacio entero contiene un campo, que impregna el vacío y es el mismo en todas
partes”
– Las partículas influidas por este campo toman masa.
– Hasta aquí nada destacable, ya que lo normal es que las partículas tomen energía de los
campos (si subimos a lo alto de un edificio estamos adquiriendo energía potencial, como
E = mc2, si aumentamos la energía estamos aumentando la masa del sistema)
– La masa de la ecuación de Einstein tiene dos componentes : m0 masa en reposo y masa
que adquiere en virtud de su movimiento o de su energía potencial.
– Pero la energía potencial tomada del campo de Higgs, difiere en dos aspectos de la
tomada de los demás campos:
1. Es masa en reposo.
2. La cantidad de masa que se adquiere del campo es diferente en función de la partícula.
– Es decir la masa es una medida del acoplamiento de las partículas con el campo de
Higgs.
Ramón Ríos Sieiro 34

35. Higgs… por fin: Unidad electrodébil
• Recordemos que la simetría gauge exigía para poder unificar
electromagnetismo e interacción débil que las partículas mensajeras
tuvieran masa en reposo nula.
• Pero por alguna razón (no entendida todavía) los W y el Z adquieren la
esencia del Higgs, mientras que el fotón permanece inalterable.
• La fuerza electrodébil se rompe por tanto en dos: la débil y la
electromagnética.
“Sí , he
sido yo”
• Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa (“Lederman”)
Ramón Ríos Sieiro 35

36. ¿Qué pasa con la masa?
• Pues tras la aparición del campo de Higgs, la masa ya no es considerada
como una propiedad intrínseca de las partículas, sino una propiedad
adquirida.
• Si los quarks y fotones tuviesen masa cero satisfarían la conservación
quiral: sus espines estarían siempre asociados a su dirección del
movimiento. “Sin mí, no
seríais nada”
• Higgs de nuevo oculta esta simetría.
• Recordad que estamos al amparo del modelo estándar donde la gravedad no
se tiene en cuenta. Por tanto cuando hablamos de masa nos estamos
refiriendo a la masa inercial y no a la gravitatoria.
Ramón Ríos Sieiro 36

37. Sin Higgs, simetría y aburrimiento
• El campo de Higgs se neutraliza con grandes energías o temperaturas altas,
debido a las fluctuaciones cuánticas que éstas producen.
• El universo primitivo era demasiado caliente para el Higgs.
• Pero cuando la temperatura cae por debajo de los 1015 Kelvin o 100 Gev
Higgs empieza a generar masas.
• Por tanto antes del Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la
fuerza electrodébil unificada.
• Pero el universo se expande, se enfría y los bosones gauge w y z empiezan
a engordar. Se mueven con dificultad a través de un aceite pesado que es el
Higgs.
Ramón Ríos Sieiro 37

38. Sin Higgs, simetría y aburrimiento (II)
• Un imán es un imán porque a bajas temperaturas, sus imanes atómicos
están alineados.
• Un imán tiene una dirección especial: la de su eje. Ha perdido pues la
simetría.
• Si aumentamos la temperatura, los enlaces moleculares se rompen y se
destruye la alineación y pasamos a tener un pedazo de hierro no magnético.
Recuperamos la simetría.
• Esto es lo mismo que nos sucede con el Higgs.
Ramón Ríos Sieiro 38

39. Con Higgs, coherencia a altas energías
• Al introducir el Campo de Higgs en las ecuaciones de las reacciones a altas
energías nos salen resultados coherentes.
• El Higgs resuelve el problema que tenía el modelo estándar con las altas
energías (por lo menos hasta energías de un 1TeV).
“Qué bueno
soy”
Ramón Ríos Sieiro 39

40. Propiedades del Higgs: El espín
• Los demás campos: gravitatorio, eléctrico, fuerte y débil varían su acción
con la distancia.
• La masa de las partículas es la misma en todas las partes del universo.
• Luego el campo de Higgs debe de ser constante en todas partes.
• Por eso decimos que el Campo de Higgs es un campo escalar.
• El espín supone una direccionalidad en el espacio, por lo que el espín de la
partícula asociada al campo de Higgs debe ser cero , por lo tanto será un
bosón, el bosón de Higgs.
Ramón Ríos Sieiro 40

41. Propiedades del Higgs: La masa
• Si el campo de Higgs es lo que da masa a las demás partículas, ¿qué masa
tendrá su bosón?
• Pues el bosón de Higgs también interacciona con su propio campo y como
era de esperar interacciona más que las demás partículas.
• La masa calculada para este bosón sería de unos 125,3 GeV.
Ramón Ríos Sieiro 41

42. • Dónde aprender más:
– “La partícula divina” Leon Lederman / Dick Teresi
– Partículas bellas de materia y antimateria Ruiz Jimeno, Alberto
(Investigación y Ciencia Diciembre 2008)
– Arboles, bucles y la nueva física Bern, Zvi; Dixon, Lance J. y
Kosower, David A. (Investigación y Ciencia Julio 2012)
– http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/07/05/confirmado-
el-cern-descubre-el-boson-de-higgs/
– http://cuentos-cuanticos.com/2012/07/07/que-es-el-higgs/
Ramón Ríos Sieiro 42