Partículas elementales, el campo de Higgs y el Modelo Estándar

Otra excelente conferencia del Instituto de Física Teórica IFT. Con esta conferencia finalmente me queda claro (hasta donde puedo) qué es el campo de Higgs, el bosón de Higgs y qué relación tiene con el Modelo Estándar de la física actual. La conferencia se llama:

La Partícula de Higgs y el Misterio de la Masa (Alberto Casas)

Y ésta es la descripción del video:

El recientemente descubierto bosón de Higgs ocupa un lugar clave en nuestra comprensión del universo y revela secretos íntimos de la naturaleza sobre hechos muy básicos, tan básicos que a menudo ni siquiera pensamos sobre ellos. Sin embargo, tampoco lo explica todo. La naturaleza guarda misterios fascinantes que aún no han sido desvelados. Conferencia de divulgación científica de Alberto Casas, del Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, en el ciclo de conferencias “La frontera de la Física Fundamental”, en la Residencia de Estudiantes, Madrid, el 22 de Noviembre 2013.

Al final puedes ver el video pero antes no puedo dejar de compartir las notas que tomé sobre la conferencia. Estas notas son esencialmente citas o paráfrasis de lo que el profesor Alberto Casas dice en su conferencia, pero vea usted mismo el video para eliminar cualquier error o interpretación errónea que pueda haber puesto yo en estas notas.

Primero, entender lo básico del Modelo Estándar de la física teórica actual. Para lo cual tenemos que entender dos puntos fundamentales: las familias de partículas elementales y las cuatro fuerzas físicas.

Hay muchas partículas elementales, pero las más fundamentales o importantes, y que no parecen tener estructura interna (es decir, no son partículas compuestas), se agrupan en tres familias:

PARTÍCULAS ELEMENTALES SIN ESTRUCTURA INTERNA

PRIMERA FAMILIA:
        e             u                    d                        ve
electrón, quark up, quark down, y el neutrino del electrón.

Estas partículas son las que forman toda la materia que conocemos y que llamamos materia bariónica (compuesta por electrones, protones y neutrones). Los protones y neutrones están compuestos por quarks, así que no entran en esta familia.

SEGUNDA FAMILIA: 
    m             c                         s                             vm
muón, quark charm, quark strange, y el neutrino del muón

Básicamente son iguales a las cuatro partículas anteriores pero tienen más masa. Es decir, el muón es como el electrón pero tiene más masa, el quark charm es como el quark up pero tiene más masa, etc.

TERCERA FAMILIA:
     t,               t,                       b,                           vt
tauón, quark top, quark bottom, y el neutrino del tauón

Igual que con la familia anterior, que es más masiva que la primera, ésta tercera es más masiva que la segunda.

familias de partículas.

Estas partículas son las entidades o elementos básicos de la materia. Las maneras en que interaccionan entre sí están definidas por las fuerzas físicas, las cuales son cuatro fuerzas fundamentales.

CUATRO INTERACCIONES BÁSICAS (FUERZAS FÍSICAS FUNDAMENTALES):

  • LA FUERZA GRAVITATORIA.
  • LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA.
  • LA FUERZA FUERTE.
  • LA FUERZA DÉBIL.

Cada una de estas fuerzas tiene asociada una partícula que es como el “mensajero” de la interacción (es una partícula mediadora de fuerza):

  • El fotón es el “mensajero” (mediador) de la interacción electromagnética.
  • El gluón es el mediador de la fuerza fuerte.
  • Los bosones W y Z son los mediadores de la fuerza débil.
  • Y el gravitón (G) es el mediador de la fuerza gravitatoria.

 

Todas tienen spin entero y masa cero (excepto los bosones W y Z). Los bosones W y Z tienen spin 1. El gravitón tiene spin 2. El bosón de Higgs tiene spin 0 (en realidad no tiene spin porque el vacío no puede tener spin [giro] y por eso se da el valor cero a su spin).

Los bosones débiles tienen masa, los otros (gluones) no tienen masa. El fotón tampoco tiene masa. La interacción con el campo de Higgs es lo único que explica la masa de algunas partículas.

interaccion electromagnetica.
Este gráfico muestra dos electrones interaccionando entre sí. El intercambio de un fotón explica la interacción electromagnética en este caso.

El bosón de Higgs también interacciona consigo mismo. Es la única partícula que puede tener masa sin romper la simetría. Hay distintas contribuciones a la masa del bosón de Higgs, lo cual sugiere procesos extravagantes de cancelación de masa que no se han explicado aún.

Ahora, algunas notas sobre el campo de Higgs:

La masa se lleva mal con la simetría.

Las simetrías del Modelo Estándar parecen requerir que todas las partículas tengan masa cero. Pero renunciando a la simetría las ecuaciones se vuelven inconsistentes. Necesariamente debe haber simetría en las ecuaciones. Por lo tanto, necesitamos un mecanismo que dé masa a las partículas sin estropear la simetría. Así nace el Mecanismo de Higgs, propuesto en 1964 por R. Brout y F. Englert y finalmente por P. Higgs, de quien tomó nombre la teoría.

La teoría propone la existencia del campo de Higgs, el cual crea la masa en las partículas (la interacción de las partículas con el campo es lo que causa la masa de las partículas). Debería entonces existir el bosón de Higgs, que se define como ondas (o excitaciones) en el campo de Higgs.

El campo de Higgs llena el vacío. El experimento para descubrir el bosón de Higgs consiste en “agitar el vacío” para producir la onda en el campo de Higgs. Para agitar el vacío se emplea una máquina que acelera las partículas hasta enormes energías y las hace chocar entre sí. Esta máquina es el LHC en CERN.

El LHC (Large Hadron Collider: Gran Colisionador de Hadrones):

El LHC acelera protones hasta energías de 7 TeV (7000 Gev), esto es siete mil veces la energía cinética del protón. En cada momento hay en el anillo del LHC 300 billones de protones circulando en cada sentido (esta cantidad es la masa de una célula humana pero su energía es tan grande como la de un tren de 400 ton a 150 Km/h).

El LHC es el mayor congelador del mundo, con una masa equivalente a cinco veces la Torre Eifel, a 271,3° C bajo cero. El LHC es uno de los lugares más fríos del universo. Pero el punto donde se producen las colisiones de partículas es 100 mil veces más caliente que el interior del sol, es decir, el LHC contiene puntos que son más calientes que cualquier otra cosa en nuestra galaxia. En cada colisión se producen decenas de partículas (en realidad las colisiones ocurren entre dos gluones; es la colisión que produce el bosón de Higgs). Del estudio de estas partículas hay que inferir la existencia del bosón de Higgs.

cuando dos protones chocan.
Diagrama que muestra el choque de dos protones (vienen desde la izquierda), los cuales se desintegran dando origen a toda una serie de partículas subatómicas.

EJEMPLO 1

Chocan dos gluones, se produce un quark top, éste se desintegra produciendo un quark antitop, pero en ese breve lapso de tiempo se observa la aparición del bosón de Higgs. Luego el quark antitop se desintegra produciendo dos fotones en el proceso.

colision donde se produjo el boson de Higgs.
Un diagrama parecido al anterior. Aquí vemos el choque de dos gluones. En medio de la desintegración y aparición de las partículas menores se detecta la breve aparición del bosón de Higgs (H en la imagen). 

EJEMPLO 2

Hay colisiones que no producen bosones de Higgs. Dos quarks pueden chocar y producir fotones sin aparición del bosón de Higgs. Este tipo de colisión es mucho más abundante que el ejemplo anterior.

desintegracion de dos fotones y el boson de Higgs.
En la parte superior vemos el diagrama del choque de dos gluones, con la aparición de fotones y del bosón de Higgs (H en la imagen), en medio de los fotones. En la parte inferior sin embargo se muestra lo que ocurre la mayoría de los casos: los choques y desintegraciones no producen la aparición del bosón de Higgs.

La masa de los dos fotones que se producen por la desintegración del bosón de Higgs debería ser igual a la masa del bosón de Higgs. La masa del bosón de Higgs es de más o menos 126 Gev (que es donde se produce el pico en la gráfica de las colisiones).

el pico que prueba la existencia del boson de Higgs.
Después de repetir muchas veces el experimento y acumular los datos de cada observación, se observó un pico en la gráfica de los choques. Este pico (ubicado más o menos a la altura de los 126 GeV) demuestra la existencia del bosón de Higgs (o de algo parecido o análogo al bosón de Higgs). Si tal partícula no existiera, este pico en la gráfica no debería producirse. Pero para que se produzca el pico, el experimento debe realizarse muchas veces porque la mayoría de las veces el bosón de Higgs no aparece en las colisiones.

El bosón de Higgs se desintegra de muchas otras maneras. Las transformaciones y aparición del bosón de Higgs dura mucho menos que una millonésima de segundo.

El descubrimiento del bosón de Higgs confirma el Modelos Estándar. Pero quedan preguntas por responder. El electrón interacciona poco con el campo de Higgs y por eso tiene una masa muy pequeña (2000 veces menor que la del protón), pero el quark top interacciona mucho con el campo de Higgs y por eso tiene una masa mayor que la del electrón, pero ¿por qué algunas partículas interaccionas más con el campo de Higgs que otras? El campo de Higgs posee valores más pequeños de los previstos y no se explica todavía la estabilidad de la masa de las partículas. Esto requiere una nueva física o un modelo que vaya más allá del Modelo Estándar. Por ejemplo un modelo que incluya una explicación de la materia oscura (la cual parece estar compuesta por partículas que no pertenecen al Modelo Estándar; también la energía oscura que es más misteriosa aún que la materia oscura).

El color de la fuerza: quarks y gluones

Conferencia de divulgación científica de Margarita García Pérez, del Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, en el ciclo de conferencias “La frontera de la Física Fundamental”, en la Residencia de Estudiantes, Madrid, el 7 de Noviembre 2013.

¿Dónde ocultan su masa los átomos? Los protones y neutrones del núcleo atómico, que concentran toda su masa, están compuestos por quarks. Paradójicamente, estas partículas son ligerísimas y, sorprendentemente, no existen de forma aislada. En esta charla aclararemos estos misterios invocando a la fuerza más potente del Universo, el Color.

Cazadores de materia: Materia Oscura

Conferencia de divulgación científica de David G. Cerdeño, del Instituto de Física Teórica UAM-CSIC, en el ciclo de conferencias “La frontera de la Física Fundamental”, en la Residencia de Estudiantes, Madrid, el 7 de Noviembre 2013.

El 90% de la materia que forma el Universo es de naturaleza desconocida y podría corresponder a un nuevo tipo de partícula,  aún sin identificar, que no emite ni absorbe luz. En esta charla explicaremos los experimentos que nos pueden permitir detectar esta “materia oscura”.