El mecanismo de Higgs
¿Por qué tienen masa las partículas? El campo de Higgs impregna todo el universo — y a través de su interacción, los bosones W y Z, así como los quarks y leptones, adquieren su masa.
Los bosones de gauge no deberían tener masa — y sin embargo la tienen
En la teoría electrodébil, los portadores de fuerza W⁺, W⁻ y Z⁰ son bosones de gauge — similares al fotón. Por razones matemáticas, los bosones de gauge no pueden tener masa en una teoría de gauge exacta: un término de masa explícito en el lagrangiano destruiría la simetría de gauge, y la teoría dejaría de ser renormalizable.
El problema: los experimentos mostraron claramente que W y Z son partículas masivas — con masas de 80 y 91 GeV/c² respectivamente, unas 85 y 97 veces más pesadas que un protón. ¿Cómo pueden tener masa los bosones de gauge sin destruir la simetría de la teoría? La respuesta es el mecanismo de Higgs — una solución elegante que preserva la simetría y, al mismo tiempo, la rompe.
El sombrero mexicano y el vacío
El mecanismo de Higgs se basa en el concepto de ruptura espontánea de simetría. Imaginemos un potencial con forma de sombrero mexicano: un anillo de mínimos de energía rodea el centro, que se encuentra más elevado. Cuando un sistema en este potencial alcanza su estado fundamental, debe decidirse por un punto del anillo — y con ello rompe la simetría rotacional del sombrero, aunque el potencial en sí sea perfectamente simétrico.
El campo de Higgs tiene exactamente esta estructura de potencial. En el universo temprano y caliente, el campo oscilaba en torno al centro simétrico. A medida que el universo se enfrió, el campo rodó hacia uno de los mínimos — eligió un "valor esperado de vacío" (v ≈ 246 GeV). Este valor esperado de vacío no es una decisión arbitraria, sino un estado físico estable. La simetría del lagrangiano se conserva, pero el estado fundamental del universo la rompe espontáneamente.
La consecuencia: los bosones W y Z, originalmente sin masa, "absorben" los bosones de Goldstone del campo roto y con ello se vuelven masivos. Este es el mecanismo de Goldstone-Higgs: los grados de libertad longitudinales de los bosones de gauge masivos provienen del campo de Higgs roto. El fotón permanece sin masa porque la simetría U(1)_em correspondiente de la electrodinámica no se ve afectada por la ruptura.
El acoplamiento de Yukawa — cómo los quarks y leptones obtienen masa
El campo de Higgs no solo confiere masa a los bosones de gauge, sino también a los quarks y leptones — aunque mediante un mecanismo distinto. A través de los llamados acoplamientos de Yukawa, los fermiones interactúan con el campo de Higgs. La intensidad de este acoplamiento determina la masa del fermión: un quark top pesado (≈ 173 GeV) se acopla fuertemente, mientras que un electrón ligero (0,511 MeV) apenas se acopla.
Las constantes de acoplamiento de Yukawa son parámetros del modelo estándar — actualmente no pueden predecirse a partir de la teoría por sí sola, sino que deben determinarse experimentalmente. Por qué el quark top es casi tan pesado como un átomo de oro, y el electrón pesa una millonésima parte de eso, es uno de los enigmas sin resolver del modelo estándar.
| Partícula | Masa | Acoplamiento de Yukawa (relativo) |
|---|---|---|
| Quark top (t) | ≈ 173 GeV | ~1 |
| Quark bottom (b) | ≈ 4,2 GeV | ~0,024 |
| Leptón tau (τ) | ≈ 1,8 GeV | ~0,01 |
| Quark strange (s) | ≈ 95 MeV | ~0,0005 |
| Electrón (e) | ≈ 0,511 MeV | ~0,000003 |
4 de julio de 2012 — un bosón tal como se había prometido
El bosón de Higgs es la excitación cuántica del campo de Higgs — de la misma forma que el fotón es la excitación del campo electromagnético. Es la única partícula fundamental escalar conocida (espín 0) y la última pieza que faltaba en el modelo estándar. Su descubrimiento fue el punto culminante de una búsqueda experimental de 48 años.
Desde entonces, el bosón de Higgs se estudia intensamente. El LHC mide sus intensidades de acoplamiento con las distintas partículas — hasta ahora, todas las mediciones coinciden con las predicciones del modelo estándar. Cualquier desviación apuntaría a una nueva física más allá del modelo estándar — y es objeto de investigación activa.
¿Es el bosón de Higgs la única partícula de Higgs? Muchas extensiones del modelo estándar — la supersimetría, los modelos de doble doblete de Higgs — predicen varios bosones de Higgs. El LHC actual los busca. Además, sigue sin resolverse: ¿qué determina la forma del potencial de Higgs, y por qué el bosón de Higgs tiene exactamente 125 GeV?