Higgs y el vino, de mayordomo hasta bibliotecario, directo hacia el Nobel

Quizás conviene recordar que el primer contacto de Peter Higgs con el proceso de ruptura espontánea de la simetría fue gracias al vino. Cuando al joven doctor le dieron en 1960 una plaza de profesor en la Universidad de Edimburgo, le dijeron que tendría que hacer de mayordomo en la cena de gala de la Primera Escuela de Verano sobre Física de las Universidades de Escocia (SUSSP60 por Scottish Universities Summer Schools in Physics). Su misión era comprar el vino y guardarlo a buen recaudo, fuera de las manos de los cuatro estudiantes que harían de camareros, los jóvenes Nicola Cabbibo, Sheldon Glashow, Derek Robinson y Tini Veltman (dos de ellos ya tienen el Premio Nobel). Ellos escondieron parte del vino en el reloj de péndulo de “la cripta” del Newbattle Abbey College y regaron con él sus conversaciones sobre física teórica hasta altas horas de la noche. Higgs sospechó algo al ver que ninguno asistió a la primera charla de la mañana siguiente.

Uno de los temas que se discutió en la SUSSP60, fue el artículo que Yoichiro Nambu publicó en abril de 1960 en Physical Review Letters, en el que aplicaba ideas de la teoría de moda, la teoría BCS de la superconductividad, para explicar la masa de las partículas gracias a una rotura espontánea de la simetría; aplicó sus ideas a una teoría (hoy incorrecta) de la fuerza fuerte y explicó cómo adquirían masa los protones y los neutrones (cuya masa hoy sabemos que tiene otro origen). Jeffrey Goldstone descubrió que la teoría de Nambu predecía la existencia de bosones escalares sin masa y lo publicó en 1961 en Il Nuovo Cimento; en dicho artículo utilizó una función potencial bicuadrática con la forma, como no podía ser de otra manera, del culo de una botella de vino.

Las estrellas tendrían que emitir bosones de Goldstone en lugar de fotones, pero como no lo hacen, o la teoría era incorrecta, o había que buscar una solución. Philip Anderson sugirió aplicar una idea ya utilizada en la teoría de la superconductividad, que no es una teoría relativista. En marzo de 1964, Abraham Klein y Ben Lee especularon en Physical Review Letters cómo podría usarse dicha idea en una teoría relativista. Varios autores discutieron esta propuesta hasta que en junio de 1964, Walter Gilbert afirmó en Physical Review Letters que dicho método no podía funcionar porque violaba la simetría de Lorentz. Ya sabéis el chiste: “Ese hombre no viene como conviene, viene como con vino.”

Higgs era bibliotecario de su departamento. Todas las semanas tenía que ir a la biblioteca central de la universidad para recoger los nuevos números de las revistas de investigación en física y llevarlos a la hemeroteca del departamento. Los echaba una ojeada rápida, los ponía una etiqueta y los colocaba en la estantería. La revista Physical Review Letters llegaba los jueves y el 16 de julio de 1964 Higgs leyó el artículo de Gilbert. Su primera reacción fue decir “mierda” las ideas de Nambu no funcionan. Sin embargo, pensando durante el fin de semana se dio cuenta de que el argumento de Gilbert era erróneo. Escribió un artículo al respecto, diciendo qué había que hacer, pero sin hacerlo, que envió el viernes 24 de julio a la revista Physics Letters (que lo recibió el 27 de julio de 1964; por cierto, el editor de la revista trabajaba en el CERN). El artículo fue aceptado de inmediato.

El 31 de julio envió un segundo artículo a Physics Letters en el que hacía lo que había dicho que tenía que hacerse, pero fue rechazado por el editor (que afirmó que el artículo no aportaba nada nuevo a lo dicho en el anterior). Higgs quedó muy sorprendido, cómo podían aceptar un artículo que decía lo que había que hacer, sin hacerlo, y rechazar el artículo que lo hacía. En agosto revisó el artículo añadiendo algunos párrafos, entre ellos uno que proponía la existencia de un “mesón” con masa (hoy conocido como “bosón de Higgs”). El artículo revisado fue enviado a Physical Review Letters, que lo recibió el 31 de agosto, donde fue aceptado para publicación.

La versión final del artículo incluyó un cambio de última hora. El revisor en Physical Review Letters (que Higgs más tarde descubrió que fue el propio Nambu) le dijo que el 31 de agosto apareció en dicha revista un artículo de François Englert y Robert Brout que era muy parecido al suyo. Higgs añadió una nota a pie de página citando dicho artículo e indicando que, esencialmente, ellos habían obtenido sus mismas  conclusiones pero de forma independiente. La diferencia entre el trabajo de Englert y Brout, y el de Higgs, es que ellos trabajaron con diagramas de Feynman en los que comprobar la invarianza gauge de la teoría es más engorroso, mientras que él utilizó directamente el lagrangiano clásico de la teoría (como se suele hacer en la actualidad). Englert y Brout no mencionan en su artículo al “mesón” que Higgs mencionó en el suyo (gracias a que se lo rechazaron) y que ahora le lleva directo hacia el Premio Nobel.

Por cierto, el nombre de Higgs asociado al bosón y al mecanismo de ruptura espontánea de la simetría fue utilizado por primera vez en 1972 en una conferencia internacional en el Fermilab (Batavia, cerca de Chicago). Benjamin W. Lee fue invitado a impartir una charla sobre este tema y como se encontró a Peter Higgs le preguntó por la historia temprana c. 1964 de estas ideas. Higgs le dijo que no podía citar de memoria todos los artículos importantes de 1964, salvo los propios y Lee le dijo que no importaba, que le contara la historia como la recordara. En su charla Ben Lee prácticamente solo mencionó a Higgs, habló de la partícula de Higgs, del mecanismo de Higgs, etc. Hay muchas ocasiones en las que un discurso o una charla acaban en el subconsciente colectivo y esta fue una de estas ocasiones. Hasta entonces nadie le había puesto un nombre a la partícula o al mecanismo, los artículos de Weinberg, Salam, o incluso de Veltman y ‘t Hooft, citan los artículos de Higgs y de los demás pero no le ponen nombre. Ben Lee fue el “responsable” de que, para mucha gente, el mecanismo de Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble se llame mecanismo de Higgs en lugar de mecanismo EBHGHK o un nombre similar (como mecanismo EBH).

Finalmente, me gustaría recordar que Robert Brout falleció en 2011, François Englert tiene 78 años y Peter Higgs cumplió 82 años el pasado 29 de mayo.

7 pensamientos en “Higgs y el vino, de mayordomo hasta bibliotecario, directo hacia el Nobel

  1. Muy buena entrada Francis, se habla mucho del mecanismo de Huiggs, hasta la saciedad, diría yo, pero alguien pudiera explicarme este mecanismo?.

    • Carlos, la explicación requiere conocer teoría (clásica) de campos. ¿Entiendes lo que presenta la wikipedia en español? Si no lo entiendes, mira a ver si te ayuda esto.

      1) El mecanismo de Higgs es el modelo matemático de una transición de fase. En una transición de fase un medio que está en un estado con ciertas propiedades cambia a un nuevo estado con propiedades diferentes; estrictamente hablando el medio sigue siendo el mismo. Imagina la transición entre vapor de agua y agua líquida, o entre agua líquida e hielo; antes y después lo que tenemos es lo mismo, agua, pero su estado es diferente y sus propiedades.

      2) Las transiciones de fase ocurren a una temperatura (o energía promedio) determinada. El vapor de agua se transforma en líquido a unos 100 ºC (en realidad el valor depende de la presión y de otros factores, como el contenido isotópico del hidrógeno del agua). La transición de fase electrodébil ocurrió cuando el universo tenía una edad de una billonésima de segundo tras el Big Bang (el valor es aproximado), cuando la temperatura media del universo era de unos 246 GeV (la temperatura se puede medir en unidades de energía).

      3) Para entender la transición de fase electrodébil tenemos que entender qué había antes y que había después (como en el caso del agua, antes había vapor y después líquido), pero hay que recordar que en sentido estricto antes y después había lo mismo (como en el caso del agua, antes había agua en un estado y después también había agua pero en otro estado).

      4) ¿Por qué una transición de fase puede generar masa en una partícula? El mecanismo se entiende mejor con la superconductividad, pero como no sé si conoces la teoría de la superconductividad, volveré al ejemplo del agua. El índice de refracción de la luz en el aire y en el vapor de agua (sin condensación de gotas) es muy parecido al del vacío; la luz se mueve a la velocidad de la luz antes del cambio de vapor a líquido. Sin embargo, el índice de refracción del agua líquida, unos 1,333, indica que la luz se mueve más lenta que en el vacío, como si las “partículas de luz” se movieran más lentas en el líquido que en el gas (stricto sensu esto no es verdad para los fotones, pero no importa, es solo una analogía).

      5) Qué tenemos a alta energía (E>246 GeV) y qué tenemos a baja energía (E<246 GeV) en la ruptura de simetría electrodébil mediada por el mecanismo de Higgs.

      5.1) A alta energía tenemos una simetría gauge exacta SU(2)L × U(1)Y que corresponde a cuatro partículas gauge o bosones vectoriales sin masa, dos cargados eléctricamente (W1+ y W2-) y dos neutros (W3 y B0); al ser bosones vectoriales sin masa, estas partículas tienen solo dos grados de libertad (corresponden a un campo con dos componentes transversales como el fotón a baja energía). Además, tenemos el campo de Higgs Φ que es un doblete (respecto a SU(2)L) de campos escalares complejos sin masa (φ+ = φ1+iφ2 y φ0 = φ3+iφ4). Todas las partículas de la teoría, incluidos todos los fermiones (quarks y leptones), son partículas sin masa. La masa, como tal, es un concepto que no existe a alta energía (no quiero liar el asunto pero hay una cosa que se llama salto de masa en teorías gauge no lineales, pero prefiero omitirlo).

      5.2) A baja energía tenemos una simetría gauge exacta U(1)em, nada más; también queda una simetría aproximada o residual de tipo SU(2), pero no es una teoría gauge stricto sensu. Tres de los cuatro grados de libertad del campo de Higgs desaparecen (se acoplan) a los bosones gauge de la teoría a alta energía. Estos bosones adquieren tres grados de libertad en lugar de los dos que tenían, es decir, el campo de estos bosones adquiere una componente longitudinal, lo que equivale a que adquieren masa. Los bosones W1+ y W2- se acoplan a las componentes φ1 y φ2 transformándose en los bosones vectoriales W+ y W que se observan a baja energía y que fueron descubiertos en 1984 en el CERN.

      5.3) Entender lo que ocurre con los grados de libertad del campo de Higgs φ3 y φ4 requiere ciertos detalles matemáticos en los que no entraré. Se acoplan a los campos neutros W3 y B0 de tal forma que a baja energía aparecen dos bosones vectoriales neutros a baja energía, el bosón Z0 (con tres grados de libertad y masa, descubierto en 1984) y el fotón A0 (con solo dos grados de libertad y sin masa); como queda un grado libertad libre, aparece una partícula de tipo bosón escalar neutro φ0 con masa (cuya masa es un parámetro libre de la teoría). Este último es el bosón de Higgs que se busca en el CERN.

      5.4) El mecanismo de Higgs (mínimo, que es el que he descrito) viene caracterizado por un ángulo de mezcla de los bosones W3 y B0 a la hora de formar los bosones Z0 y A0; este ángulo de Weinberg implica una relación muy precisa entre la masa de los bosones W y Z que ha sido demostrada en los experimentos (desde 1984 hasta hoy). Cualquier otro mecanismo de Higgs que no sea el mínimo, que tiene más de un bosón de Higgs a baja energía (hay muchas posibilidades), implica ligeros cambios en la relación entre la masa de los bosones Z y W (habiendo que realizar ajustes muy finos, en contra de la navaja de Ockham, para lograr reproducir los resultados medidos en los experimentos).

      Espero haber aclarado algo más este asunto, Carlos. Te animo a ojear la wikipedia en español para ver algunos detalles técnicos más. Por supuesto, para entender bien todo esto hay que saber teoría de campos.

    • Carlos, no entiendo tu pregunta. Espero que mi comentario anterior te haya ayudado algo a entender el mecanismo de Higgs.

  2. Gracias Francis por esta magnífica explicación del mecanismo de Higgs, nadie lo había descrito tan didacticamente como lo has hecho. Tengo ciertos conocimientos de la Toría Clásica de Campos. He buscado las informaciones que ofrece la Wikipedia y veo que las mismas contienen la Lagrangiana y la densidad Lagrangiana para la Teoría Clásica de Campos del mecanismo así como lo explica, pero lo que no entendía era toda la secuencia con la analogía del cambio de fase en alta y baja energía, lo cual ayuda mucho en el entendimiento, porque uno al leer como que va fijando los acontecimientos con la secuencia lógica. Creo que estas informaciones me ponen en condiciones de poder tener un mejor entendimiento de lo que está pasando con ciertas investigaciones de la física teórica.

  3. Fijaros en esto: http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2167188/God-particle-Scientists-Cern-expected-announce-Higgs-boson-particle-discovered-Wednesday.html
    ¿La partícula de dios ha sido encontrada?
    ¿Peter Higgs ha sido invitado al evento del Miércoles?
    Por supuesto solo es otro rumor señalado en la página de Woit y la fuente no parece muy fiable (hablan de 4 sigmas para un descubrimiento y cosas así)pero es que el titular es un bombazo.
    De todas formas ¿Será cierto?

    • Planck, si es verdad lo que dice el Daily Mail se ha observado la partícula con una confianza estadística del 99,99%, es decir, algo menos del 99,995% que corresponde a 4 sigmas, lo que me parece razonable (evidencia menor de 4 sigmas).

      En cuanto a la invitación a la rueda de prensa a Peter Higgs y Tom Kibble es costumbre del CERN en este tipo de ocasiones, yo no lo daría más importancia…

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