La teoría electrodébil, el bosón de Higgs y su historia

Mucha gente que afirma a la ligera que el bosón de Higgs podría no existir (e incluso que de hecho no existe) no tiene ninguna duda sobre la unificación electrodébil. Creen a pies juntillas que el electromagnetismo y la interacción débil están unificadas a alta energía, aunque no exista el bosón de Higgs. Esta contradicción es curiosa, pues sin el campo de Higgs la unificación electrodébil se hunde en el fango (la teoría no es renormalizable). A baja energía la interacción electromagnética y la débil son muy diferentes entre sí; la constante de acomplamiento electromagnética, α, es mucho mayor que la débil, sea α/(MW)2  o  α/(MZ)2, ambas están gobernadas por la misma constante adimensional α, siendo la única diferencia que los bosones vectoriales W y Z tienen masa y el fotón no la tiene. A alta energía la interacción electrodébil unifica ambas fuerzas imponiendo una simetría que afirma que Mϒ=MZ=MW (en realidad estas partículas a alta energía reciben como nombres A y B, pero esto es un detalle menor).  El campo de Higgs es el encargado de romper esta simetría a una energía v=246 GeV y separar el comportamiento del fotón y los bosones W y Z. El bosón de Higgs es consecuencia natural del campo de Higgs. Que alguien piense que no existe el bosón de Higgs, pero sí el campo de Higgs, en mis cortas miras, es muy poco natural. Obviamente, hay muchas propuestas teóricas, retruques técnicos para evitar lo natural, pero cuántas de ellas son renormalizables; quizás, la teoría correcta no tenga que ser renormalizable, pero muchos de lo que afirman que el bosón de Higgs no existe, no dudan de la renormalizabilidad. Os pido perdón, pero yo no entiendo por qué mucha gente famosa habla con total naturalidad sobe el Higgs afirmando que puede que exista o puede que no exista, en pie de igualdad, cuando la natural es que exista y lo “antinatural” es que no exista.

Hemos progresado mucho en 10 años. En el año 2000, LEP2 excluyó un Higgs con una masa menor de 113,4 GeV (más tarde se subió a 114,4 GeV). No supimos nada más hasta el año 2008, cuando el Tevatrón logró excluir un Higgs con una masa de 170 GeV al 95% CL. El avance ha sido rapidísimo y el LHC ha buscado el Higgs en el intervalo entre 110 y 600 GeV desde el año 2010, excluyendo su existencia salvo en un pequeño intervalo de masas entre 117 y 127 GeV (a fecha de hoy). La semana que viene sabremos un poquito más. ¿Por qué todo el mundo tiene tanta prisa en saberlo todo sobre el Higgs? ¿Por qué se olvida que no llegaremos a saberlo todo sobre el Higgs hasta dentro de un par de décadas, como mínimo? Lo natural es que el Higgs exista y que lo encontremos este año, pero lo interesante está en los detalles y no los conoceremos este año; repito, serán necesarias al menos dos décadas para que profundicemos en estos detalles. Para mí es realmente curioso.

Esta figura, ya obsoleta, muestra los límites de exclusión para el bosón de Higgs obtenidos por el experimento ATLAS del LHC en el CERN en el verano de 2011. Hace solo un año y ya no interesa absolutamente a nadie. En verde la curva correspondiente a las colisiones del año 2010, en rojo la curva publicada en julio de 2011 (EPS-HEP 2011) y en negro la curva de finales agosto (LP 2011). Estas dos últimas curvas se obtuvieron con entre 1 /fb y 2,3 /fb de colisiones a 7 TeV c.m., según el canal de búsqueda del Higgs. ¡Cuánto hemos avanzado desde entonces y solo ha pasado un año! La figura la he extraído de Sven Heinemeyer (IFCA, Santander, CSIC), “Farewell,” Higgs days at Santander, Sept. 2011.

A veces hay que retomar el pasado para darse cuenta de lo rápido que estamos avanzando. Pero nunca es suficientemente rápido, siempre queremos aún más rápido. ¡Qué dirá Peter Higgs al respecto tras haber esperado casi 50 años! Quizás deberíamos recordar la prehistoria del Higgs.

Empezaré con Philip Anderson, que se dio cuenta en el verano de 1962 que el mecanismo utilizado en la superconductividad para explicar el efecto Meissner podía ser utilizado en física de partículas elementales para hacer que los bosones de Goldstone se convirtieran en los grados de libertad longitudinales que dotan de masa a una partícula como el fotón. El artículo que describía el “mecanismo de Higgs” apareció en 1963, pero no detallaba los cálculos relativistas correspondientes. Anderson cuenta su historia aquí. Él era físico de la materia condensada, pero publicó su artículo en una revista de física de partículas. A Brout le encantó la idea y junto a Englert, dos años más tarde, desarrolló un modelo de ruptura de la simetría basado en la idea de Anderson. Sin embargo, Brout y Englert en su artículo en Physical Review Letters omitieron la referencia al trabajo previo de Anderson. El artículo llegó a la revista el 26 de junio 1964 y se publicó en la edición del 31 de agosto de 1964.

Brout y Englert relataron la historia de su artículo aquí, donde afirmaron que conocían el trabajo de Anderson sobre la superconductividad y que su idea fue extender dicho trabajo a una teoría cuántica relativista (una teoría gauge de tipo Yang-Mills). Ellos conocían el trabajo de Nambu y Goldstone según el cual si la simetría gauge era global debían aparecer partículas sin masa que no habían sido observadas. Su objetivo fue desarrollar una teoría con invarianza gauge local y su guía para ello eran las ideas de Anderson. Su trabajo no fue fácil ya que la matemática es más sutil en el caso relativista y según confiesan necesitaron más de un año para completar la labor en 1964. La sorpresa es que podían evadir la existencia de los bosones de Goldstone sin masa, aunque fueron capaces de indicar de forma explícita que podrían aparecer bosones con masa.

Peter Higgs, de forma independiente, envió un artículo en julio de 1964 a Physics Letters en el que desarrollaba el argumento de Anderson en el caso relativista, pero como en el caso de Brout y Englert no predecía la existencia de bosones con masa. Higgs envió una semana más tarde otro artículo en el que estudiaba más detalles de la ruptura espontánea de la simetría en una teoría gauge local, pero dicho artículo fue rechazado. Hizo una serie de cambios, entre ellos la mención de la posible existencia de mesones con masa (que ahora llamamos bosones de Higgs) y lo volvió a enviar el 31 de agosto de 1964, siendo aceptado en la revista Physical Review Letters (se publicó en la edición del 19 de octubre 1964 ). Nambu fue el revisor de este artículo y le indicó a Higgs la existencia del artículo de Brout y Englert (Higgs incluyó en su artículo una nota a pie de página al respecto). En este artículo Higgs hace mención explícita al artículo previo de Anderson.

Higgs da su versión de la historia aquí , y se refiere al “mecanismo de Anderson” de forma explícita. Guralnik, Hagen y Kibble habían estado trabajando también en el “mecanismo de Higgs-Anderson” y escribieron un artículo sobre él que enviaron a PRL. Guralnik da su versión de la historia aquí y Kibble aquí. Entre todos estos autores, él único que menciona de forma explícita la consecuencia (obvia por otro lado a partir del formalismo matemático) de la de existencia de una partícula (un “mesón”) como resultado del mecanismo de ruptura espontánea de la simetría es Higgs.

Otros dos artículos de exposición reciente sobre este tema y su historia, ver aquí y aquí .

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3 pensamientos en “La teoría electrodébil, el bosón de Higgs y su historia

  1. Mi impresión es que en la mayoría de los casos cuando la gente comenta que “el Higgs puede no existir” es principalmente por dos motivos. El primero sería precaución. Normalmente se tiende a ser bastante cauto, existiría la posibilidad de que el Higgs no se pudiera observar en el LHC y esta sería una manera (incorrecta) de apuntar en esta dirección. La otra es que cuando se habla de bosón de Higgs, normalmente se entiende el Higgs del modelo estándar. Se podría excluir el Higgs del modelo estándar pero aun así encontrar un Higgs no SM.
    Como comentas además hay teorías sin Higgs pero la naturaleza por lo visto hasta ahora tiende a utilizar las soluciones “más simples” y esta pasa por el SM Higgs.

  2. Buen artículo, aunque no comprendo del todo el mecanismo de Higgs, pero si la historia y las implicaciones que este posee desde el campo de gauge, las excitaciones de goldtone, pero el mecanismo en si lo veo un poco difuso, no lo entiendo, creo que puede existir el Boson de Higgs con lo establecido por el Modelo Estandar.

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