Francis en @TrendingCiencia: Philip Anderson, el Higgs y la “higgsogénesis”

Dibujo20120711 philip anderson - celebs lists com imagesAlgunos lectores de este blog se han preguntado quién es Philip Anderson y qué tiene que ver con el bosón de Higgs. Te lo cuento en mi nuevo podcast para Trending Ciencia, que también discute la “higgsogénesis” como explicación de la asimetría materia-antimateria.

Confirmado, como ya predije, el Premio Nobel de Física de 2013 ha sido otorgado a dos de los tres físicos teóricos que formularon el mecanismo de Brout-Englert-Higgs que da masa a las partículas fundamentales y que predice la existencia del bosón de Higgs. François Englert, de la Universidad Libre de Bruselas, Bélgica, junto al ya fallecido Robert Brout, de la misma universidad, y Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, Escocia, publicaron esta teoría en 1964 en la revista Physical Review Letters. Aunque mi predicción podía parecer fácil, mucha gente pensaba que el CERN, como institución, o el LHC, recibirían también el premio, o incluso que Philip Anderson, ya premio Nobel en 1977, o Tom Kibble, serían el tercer físico que acompañaría a Englert y Higgs, pero no acertaron. En este mi último podcast sobre el bosón de Higgs recordaré el papel de Anderson, y presentaré una curiosa idea, la “higgsogénesis” como explicación de la asimetría entre la materia y la antimateria.

Acceso gratuito a los artículos de F. Englert and R. Brout, “Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons,” Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964), y P. W. Higgs, “Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons,” Phys. Rev. Lett. 13, 508 (1964). La historia de Anderson, contada por sus propias palabras, en “Interview with Dr. Philip Anderson,” by P. Chandra, P. Coleman and S. Sondhi, 1999.

Sobre la higgsogénesis recomiendo Eugenie Samuel Reich, “‘Higgsogenesis’ proposed to explain dark matter,” News, Nature, 4 October 2013 (traducción al español). Siendo los artículos técnicos Geraldine Servant, Sean Tulin, “Higgsogenesis,” (Accepted in PRL) arXiv:1304.3464 [hep-ph], y Sacha Davidson, Ricardo Gonzalez Felipe, H. Serodio, Joao P. Silva, “Baryogenesis through split Higgsogenesis,” arXiv:1307.6218 [hep-ph].

Dibujo20120711 higgs boson and early universe - cern

La historia de los modelos cuánticos para la rotura espontánea de simetrías se remonta a un artículo de Heisenberg en 1928 sobre el ferromagnetismo responsable de los imanes. Como puedes imaginar entre 1928 y 1964 muchos físicos aplicaron la idea de las simetrías rotas en diversos contextos como la superconductividad, los superfluidos, los vidrios de espín, etc.. El trabajo que le dio el Premio Nobel de 1977 a Philip Anderson se publicó en 1958 y está relacionado con el magnetismo. La teoría de moda del momento era la teoría de la superconductividad de Bardeen, Cooper y Schrieffer de 1957. Alrededor de 1960 muchos físicos teóricos de partículas trataron de aplicar las ideas de esta teoría no relativista en un contexto relativista. Nambu y Jona-Lasinio estudiaron en detalle la rotura espontánea de una simetría global en 1961, pero como Goldstone demostró esta teoría global predice partículas sin masa que no han sido observadas en los experimentos, los bosones de Goldstone.

Anderson trabajaba en los Laboratorios Bell en Nueva Jersey donde atrajo a muchos físicos teóricos jóvenes, la mayoría de ellos formados en física de partículas. Entre ellos el joven físico belga Bob (por Robert) Brout que pasó varios veranos trabajando con Anderson en los Laboratorios Bell. En el verano de 1961 Anderson invitó a Nambu a dar una charla sobre su teoría con Jona-Lasinio. Ese verano mantuvo muchas conversaciones sobre los bosones de Goldstone con Nambu y con Brout. Anderson tuvo una buena idea, aplicar conceptos del antiferromagnetismo y de la superconductividad al trabajo de Nambu y Jona-Lasinio para lograr una rotura espontánea de la simetría local, en lugar de global, y dotar de masa a los bosones de Goldstone que se transformarían en lo que hoy en día llamamos bosones de Higgs. Anderson no trabajaba en física de partículas, pero Brout le recomendó que enviara un artículo a publicar con sus ideas. Lo envió en 1962 y se lo publicaron. El artículo de Anderson tenía las ideas físicas correctas pero su falta del dominio de las técnicas matemáticas de teoría cuántica de campos le impidió expresarlas al gusto de los físicos de partículas. Ya de retorno en Bélgica, Brout trabajó junto a Englert para formalizar la idea de Anderson utilizando diagramas de Feynman. Enviaron su artículo antes del verano de 1964 y se publicó al final de verano en Physical Review Letters. El artículo de Brout y Englert no citó el trabajo previo de Anderson, que fue fundamental para la línea de investigación que llega hasta Higgs y que ya he contado en otra ocasión.

Por todo ello mucha gente cree que Anderson merece el Premio Nobel de Física de este año, pero quizás ha pesado mucho que ya tiene otro más y que el bosón de Higgs se llama “de Higgs” y no “de Anderson” o “de Brout-Englert” nombres quizás más apropiados al hilo de la historia. Pero cambiemos de historia, ¿qué es la higgsogénesis?

Dibujo20131011 Schematic representation charge transfer dynamics and higgs asymmetry

El universo nació con igual cantidad de materia y antimateria, pero hoy en día sólo observamos materia, estando la antimateria relegada a los laboratorios o a los fenómenos violentos del universo. La explicación usual de la asimetría entre materia y antimateria es la bariogénesis. La bariogénesis explica por qué hay unos diez mil millones más de fotones que de bariones (protones y neutrones) en el universo. En los primeros instantes del big bang hubo un pequeño exceso aleatorio de materia sobre antimateria, como de una partícula de materia más que de antimateria por cada diez mil millones de pares partícula-antipartícula. En cierto momento estos pares se aniquilaron creando un exceso de fotones y dejando un universo lleno de partículas, sin rastro de las antipartículas. La bariogénesis no es la única explicación posible y se han propuesto otras alternativas como la leptogénesis. Géraldine Servant, del ICREA (Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados, Barcelona, España, y Sean Tulin, de la Universidad de Michigan, EEUU, han propuesto una curiosa alternativa, la “Higgsogénesis”, es decir que el bosón de Higgs es responsables de la asimetría materia-antimateria. 

Dibujo20131011 case 2 - Schematic representation charge transfer dynamics and higgs asymmetry

Supongo que ya lo sabes, pero te lo recuerdo. La partícula de Higgs no tiene antipartícula, pues al ser una partícula escalar es como si fuera idéntica a su antipartícula. Sin embargo, a alta energía, en los primeros instantes del big bang, cuando aún no se ha producido la rotura espontánea de la simetría electrodébil, el campo de Higgs tiene cuatro componentes que se observan como cuatro partículas, dos Higgs neutros y dos Higgs carga opuesta. Estos parejas de bosones de Higgs se comportan como parejas partícula-antipartícula, con lo que en el universo primitivo hubo tanto bosones de Higgs como anti-Higgs. La idea de Tulin y Servant es que había un desequilibrio entre el número de estas partículas. Como el Higgs interactúa con la materia ordinaria, el desequilibrio en el número de Higgs y anti-Higgs podría haberse traducido en una asimetría en la cantidad de materia y antimateria del universo. Lo que han llamado Higgsogénesis parafraseando la bariogénesis y la leptogénesis (de hecho también se ha propuesto la neutrinogénesis).

Dibujo20131011 dark matter relic abundance depending on higgs masses

Lo más curioso de la teoría de Tulin y Servant es que si el campo de Higgs también interaccionó con la materia oscura podría producir una relación entre la materia oscura y la materia bariónica, similar a la que observamos en el universo actual. Quizás por pura casualidad, o quizás porque esta idea es más profunda de lo que parece, tratando de explicar la asimetría materia-antimateria Tulin y Servant han realizado una postdicción sorprendente.

¿Se puede verificar la idea de Tulin y Servant usando las colisiones del LHC en el CERN? No parece fácil, pero si su teoría es correcta el bosón de Higgs debería desintegrarse en partículas de materia oscura que no podrían ser detectadas y se observarían como pérdidas de energía en las colisiones. Habrá que esperar al menos un lustro para verificarlo, pero creo que merece la pena hacerlo. Por supuesto, ya se han publicado otras propuestas alternativas para la higgsogénesis (un nombre tan atractivo es normal que atraiga a muchos físicos teóricos). Lo más seguro es que esta idea pase sin pena ni gloria por los libros de historia, pero me gustaría estar equivocado. La mente de los físicos teóricos es extremadamente calenturienta, pero a los aficionados a estos temas nos encanta que así sea. 

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4 pensamientos en “Francis en @TrendingCiencia: Philip Anderson, el Higgs y la “higgsogénesis”

  1. “El universo nació con igual cantidad de materia y antimateria, pero hoy en día sólo observamos materia, estando la antimateria relegada a los laboratorios o a los fenómenos violentos del universo” Esto no es cierto, verdad?!?!? La materia se crea y se destruye. Lo único que se mantiene constante, en principio, es la energía. O es que me he perdido algo. Gracias.

    • 1) El universo nació con igual cantidad de materia que de antimateria, posiblemente como resultado de una fluctuación cuántica de otro universo anterior o vete a saber qué. No lo sabemos ni podemos saber con las teorías actuales, pero, para que algo salga de la nada, debe producirse en cantidades iguales. Fue en cierto momento, no sabemos por qué, que se produjo “algo” que causó el imbalance materia-antimateria y el resultado somos “nosotros” (el Universo observable actual).

      2) La materia/energía (E=mc²) se crea y destruye, y por la teoría cuántica de campos, sabemos que es posible la fluctuación en tiempos pequeñísimos de cantidades de materia/energía. \Delta E\Delta t\sim \hbar significa que puedes “violar” la conservación de la energía al precio de que lo hagas en tiempos muy pequeños (esto es lo que suele llamarse “proceso virtual”). O sea, incluso la sacrosanta ley de conservación de la energía puede infringirse en ciertos intervalos de tiempo suficientemente pequeños (generalmente inobservables), porque si \Delta E\Delta t\geq \hbar/2, entonces, puedes lograr que la energía NO se conserve una cantidad \Delta E si lo haces en un tiempo MENOR que el que da el anterior principio de incertidumbre, es decir, si lo haces en un tiempo menor de \Delta t<\hbar/(2\Delta E).

      El asunto de las fluctuaciones cuánticas es también un tema recurrente en toda la teoría inflacionaria. Se cree que las fluctuaciones del inflatón son las responsables tanto de la actual "casi-homogeneidad" a gran escala del Universo, como de las anisotropías observadas del fondo cósmico de microondas en última instancia. De hecho, estas fluctuaciones se esperan también "naturalmente" en un contexto gravitacional cuántico. Una predicción que hacen muchos ( si no todos, no soy experto en este tema) modelos inflacionarios es que hay cierta "no gaussianidad" en el espectro de potencias inducida por el inflatón y que podría observarse con los datos de PLANCK y futuros experimentos. Testar las ideas inflacionarias es algo vital pues no hay demasiadas alternativas a dicha teoría salvo las teorías de la velocidad de la luz variables (con muchos problemas a nivel astrofísico y cosmológico actualmente) y otras similares a ésta (con problemas de consistencia experimental).

  2. A Anderson le otorgaron el premio Nobel 19 años después de publicar su trabajo y a Englert y Higgs, 49 años después. ¿Alguien habrá tenido que esperar más?

    • Jaime, no lo sé, pero es posible que sea el récord. Próximo a los 50 años el único caso que recuerdo ahora es el de Yoichiro Nambu que lo recibió en 2008 por su trabajo en 1960. También recuerdo a Jack S. Kilby que recibió el Nobel en 2000 por su invención del microchip en 1958 y a Charles C. Kao que lo recibió en 2009 por la fibra óptica que propuso en un artículo de 1966. Debe haber más casos.

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