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El Higgs: la particula de Dios.

Resumen

El descubrimiento del Higgs en el colisionador de hadrones (LHC) en el CERN con una masa de 125 GeV es fundamental para entender la generacion de la masa de las particulas elementales y el origen de la gravedad. El Higgs es una pieza clave en el Universo porque es un candidato para materia oscura y poder entender la dinamica estelar. Peter Higgs lo postulo en 1964 y solo hasta 2012 se pudo observar en los detectores ATLAS Y CMS del LHC.

Palabras clave: Particula de Higgs.

Abstract

The discovery of the Higgs in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN with a mass of 125 GeV is fundamental to understand the mass generation of elementary particles and origin of gravity. The Higgs is a key in the universe because it is a candidate for dark matter to understand the stellar dynamics. Peter Higgs postulated it in 1964 and until 2012 was observed in ATLAS and CMS detectors at the LHC.

Key words: Higgs' particle.

Introduccion

El aire es un gas cuyas moleculas se mueven erraticamente obedeciendo la distribucion de Maxwell Boltzmann. Cuando el ala de un avion pasa a traves de este gas, sus moleculas golpean el ala. Entre mayor sea la velocidad relativa de las moleculas respecto al ala, menor es la presion que hace el gas al ala. Las diferencias de curvaturas en el ala, inferior--superior, genera una diferencia de presion, que se convierte en una fuerza de sustentacion, la cual, al ser mayor que el peso del avion hace que este pueda volar. De aqui se desprende el concepto de viscosidad del aire como un efecto colectivo de moleculas moviendose y entrelazandose, generado fuerzas de friccion y de sustentacion.

Entre mayor sea la temperatura del gas mayor seria la agitacion termica del aire y mayor el golpeteo de las moleculas del aire sobre el ala del avion. Por ejemplo, en Barranquilla el efecto aerodinamico es mayor que en Bogota y podemos asociar, con la temperatura, la capacidad que tiene el aire de generar mayor o menor fuerza de sustentacion [1].

Cuando las particulas tratan de viajar por el Universo se encuentran con el campo de Higgs adquiriendo automaticamente masa, inercia, resistencia a las fuerzas, pero tambien gravedad. En este sentido podriamos hacer el simil con la aerodinamica, donde el aire genera la viscosidad que induce la resistencia cuando los cuerpos se muevan a traves del fluido, pero tambien la fuerza de sustentacion. Solo es un simil, porque la aerodinamica hace referencia a un fenomeno de transporte de moleculas y es una teoria clasica, en cambio el campo de Higgs es un ente cuantico.

El Higgs [2], la particula de Dios, la podemos pensar como el equivalente de este gas, pero es un efecto puramente cuantico. Se crean y se aniquilan interactuando con las particulas ordinarias, la materia, haciendo que estas adquieran masa. Dependiendo de la forma de interaccion, las particulas adquieran mayor o menor masa, la cual esta asociada a los efectos gravitacionales y los efectos inerciales, es decir, la capacidad de atraerse o a resistirse a experimentar aceleraciones debidas a fuerzas.

Los neutrinos interactuan debilmente con el campo de Higgs y su masa es practicamente nula. En cambio el electron interactua mas fuertemente con el campo de Higgs y su masa es mayor. El foton no interactua con el campo de Higgs y su masa es aula. Es decir, que tan grande sea la masa de la particula nos esta indicando que tan fuerte es el efecto de interaccion con el campo del Higgs.

Curiosamente el Higgs aparece masivo en el Universo cuando este se expande y comienza el proceso de enfriamiento, generandose una transicion de fase, similar a la transicion del agua del estado liquido al estado solido. En dicha transicion de fase se genera una interaccion entre campos la cual induce una masa al Higgs. En el agua aparecen los cristales. Dicha particula automaticamente comienza a interactuar con la materia. Antes todas las particulas tenian energia y viajaban a la velocidad de la luz. Despues de la transicion las particulas interactuan con el Higgs y adquieren masa y dejan de viajar a la velocidad de la luz. Ademas las nuevas particulas masivas comienzan a generar atraccion gravitacional. Con el enfriamiento del Universo y la atraccion gravitacional sumado millones y millones de anos se formaron las galaxias, estrellas, etc.

Podriamos hacer un simil con la viscosidad del aire y el campo cuantico asociado al Higgs el cual genera una "viscosidad" que termina dotando de masa a las particulas. La unica que no adquirio masa fue el foton, los rayos de luz, por esto pueden ir hasta el confin del Universo. Es como si el foton fuera completamente transparente al campo de Higgs.

El Universo es una sopa de particulas que se mueven a la velocidad de la luz, pero este se esta expandiendo y se esta enfriando. Una de estas particulas, que identificamos como una particula escalar de espin cero, el Higgs, obedece una ecuacion y tiene un potencial de interaccion con dos parametros que dependen de la temperatura del Universo,

V = [[my].sup.2](T)[[fi].sup.2] + [lambda](T) [fi][(x).sup.4]. (1)

En la ecuacion de movimiento del campo de Higgs el parametro [[my].sup.2](T) se interpreta como la masa inercial de la particula, [fi](x) representa el campo del Higgs y [lambda](T) es termino que nos indica como autointeractua el campo del Higgs consigo mismo. En el Universo temperado dichos parametros son positivos; pero cuando este se enfria ocurre una transicion de fase y uno de ellos cambia de signo, [my](T). Justo en ese momento, en la ecuacion de movimiento del Higgs, aparece una masa y decimos el Higgs se hizo masivo. Ademas todas las particulas que interactuan con el campo del Higgs tambien les aparecera una masa. Pasamos de un Universo lleno de energia y particulas moviendose a la velocidad de la luz, a un Universo de particulas relativistas y masivas. En el simil con el agua decimos que se comienzan a formar los cristales y el agua deja de ser liquida.

?De donde sale la masa del Higgs?

Aparece de la autointeraccion del Higgs consigo mismo despues de la transicion de fase. Antes de la transicion de fase el Higgs interactua consigo mismo pero los parametros de la interaccion no son adecuados para que se genere la masa del Higgs. Despues de la transicion los parametros de la autointeraccion cambian y aparece la masa del Higgs. Por ejemplo, en la transicion del agua de la fase liquida a la solida, podemos cambiar el punto de congelamiento poniendo sal. Existen unos parametros termodinamicos que dependen de la temperatura y estos van cambiando; justo a cierto valor se genera la transicion. Similarmente con el Higgs, tiene un potencial de auto interaccion [lambda][[fi].sup.4] [3] cuyos parametros cambian con la temperatura del Universo. En la transicion de fase [my](T) cambia de signo, apareciendo la masa para los campos escalares o el Higgs en la ecuacion de movimiento de esta particula, conocida como la ecuacion de Klein-Gordon.

Los metales como el hierro tienen un gas de muchos electrones los cuales se mueven aleatoriamente, dependiendo de la temperatura y su espin, 1/2. Para estudiar su comportamineto termodinamico es necesario definir una funcion de distribuci'on la cual, para particulas de espin 1/2 se conoce como la estadistica de Fermi Dirac. Cuando se comienzan a enfriar los electrones, los efectos de la red cristalina, los fonones o vibraciones mecanicas de la red, comienzan a correlacionarlos formando pares ligados de dos electrones con espines en sentido contrario, creando un estado ligado de espin total igual a cero. A este nuevo estado se le conoce como el par de Cooper. Justo cuando comienza este proceso la resistencia electrica disminuye y los electrones pueden pasar cuasi libres a traves del metal como si no existiera resistencia electrica y se mueven libremente sin generar calor [4].

Justo cuando hay suficiente numero de electrones apareados en estados ligados, o pares de Cooper, el metal pasa al estado base, el cual se conoce como el estado superconductor. Estos pares son campos escalares los cuales requieren de una funcion estadistica para poder estudiar su termodinamica o teoria de muchos cuerpos a una temperatura finita, la cual se conoce como la estadistica de Bose-Einstein. Los pares de Cooper son estados ligados, compuestos, formados por dos electrones correlacionados con espin total igual a cero. Los electrones libres en el metal pasan por los lados de los pares de Cooper sin interactuar con ellos y por esta razon se comportan como libres, es decir, sin experimentar resistencia electrica.

Cuando tratamos que un campo magnetico penetre el metal, se inducen corrientes muy grandes impidiendo que los campos lo penetren. Podemos decir que los campos dentro del metal decaen muy rapidamente. En las ecuaciones de Maxwell aparece un termino que se puede interpretar como si el campo magnetico tuviera una masa efectiva, produciendo este rapido decaimiento de los campos electromagneticos en la fase superconductora.

El par de Cooper en la fase superconductora se podria interpretar como un Higgs. Dota de masa al foton en el medio material. La diferencia con el Higgs, que da masa a las particulas despues de la transicion de fase, es que el par de Cooper es compuesto, formado de dos electrones. El Higgs del Modelo Estandar de las interacciones electro debiles es una particula puntual y, solo los experimentos de precision en el LHC, nos indicaran si efectivamente el Higgs es una particula elemental o es una particula compuesta. En el segundo caso se abririan nuevas fronteras inimaginables para la fisica de particulas.

Se podria afirmar que en la superconductividad hay una particula que juega un papel similar al Higgs del Modelo Estandar. Justo de estos trabajos del estado solido, el fisico ingles Peter Higgs planteo la particula Higgs. Cuando ocurre la transicion de fase decimos que ocurrio un rompimiento espontaneo de la simetria, es decir, el Universo pasa de una fase donde todo se mueve con masa nula a otra fase donde las particulas se hacen masivas. Las particulas pasan de moverse a la velocidad de la luz, a una velocidad menor que la luz, dependiendo de su masa o de la forma como interactua con el Higgs.

El rompimiento de la simetria hace que los campos mensajeros de la interaccion debil [W.sup.+], [W.sup.-], [Z.sup.0] se hagan masivos. En cambio el foton, mensajero de la electrodinamica, no adquiere masa. Es decir, el campo de Higgs interactua con los campos de la interaccion debil, pero no con el foton. El foton puede pasar libremente a traves del campo de Higgs y alcanzar los confines del Universo trayendo la luz de las estrellas y de las supernovas que explotaron millones de anos atras. En cambio los campos mensajeros de la interaccion debil interactuan fuertemente con el campo de Higgs y no puede viajar una distancia mayor que la del nucleo atomico. Solo pude viajar una distancia pequena y decirle a un quark vecino, dentro del proton o neutron, que es portador de la interaccion debil y al quark up que se transforme en quark down.

?Por que es tan importante el descubrimiento del Higgs?.

Hay varias razones para ver su importancia. El modelo estandar de las interacciones electro--debiles [5] explica muy bien estas fuerzas a nivel cuantico y ademas ha tenido muchos aciertos en sus predicciones. Por ejemplo, el descubrimiento del quark charro, el cual se postulo en la teoria para entender las corrientes neutras debiles. El descubrimiento del quark top, el cual se postulo en el Modelo estandar para completar el doblete de quarks entre el quark bottom y el quark top, necesario para que la teoria tuviera la estructura matematica correcta, es decir, libre de anomalias. Las corrientes cargadas en la interaccion debil se conocian desde los anos 1930 con el decaimiento del muon y el decaimiento del neutron. A dichas corrientes cargadas se asociaba un campo cuantico llamado el campo de gauge [W.sup.[+ or -]]. La existencia de estos campos cuanticos requeria la presencia de otro campo de carga electrica nula, el cual se llamo [Z.sup.0]. Estos fueron postulados para entender la teoria debil y posteriormente descubiertos en el laboratorio. Recientemente, la medicion de la violacion de la simetria CP en la oscilacion sistema de mesones formados por estados ligados de un quark down y un quark extrano, es un exito del Modelo Estandar porque dichos fenomenos habian sido postulados o predichos teoricamente y se requeria de su observaci'on para darle un piso firme a la teoria. En el Modelo Estandar los neutrinos aparecian con masa cero. Sin embargo, no parecia natural que dichas particulas fueran de masa nula. Experimentos que detectaban neutrinos provenientes del Sol, se podian entender si se asumia que estos tenian masa diferente de cero. Igualmente se realizaban experimentos con neutrinos que provenian de la atmosfera en el decaimiento de los kaones.

En todo este concierto de predicciones teoricas y descubrimientos experimentales faltaba el campo de Higgs, el cual se introduce en la teoria para explicar como las particulas adquieren masa. Sin el Higgs, la teoria que fue capaz de predecir muchos fenomenos que fueron corroborados, nadie se esperaria que el mecanismo necesario para que el modelo fuera satisfactorio, se quedara sin piso. Descubierto el Higgs, se da piso a la teoria y queda explicado el origen de la masa y la gravitacion.

Particulas escalares de espin cero y carga eletrica cero, con caracteristicas similares a la Higgs descubierto en el LHC, se pueden relacionar con otro fenomeno muy importante que proviene de la cosmologia. De las observaciones de la dinamica estelar, en particular estrellas girando alrededor de las galaxias, se ve que hay estrellas que se mueven mucho mas rapido que la prediccion que se puede hacer con la teoria de la gravitacion de Newton. Al parecer hay mucho mas materia en las galaxias para poder entender estas velocidades. A dicha materia se le llama materia oscura porque no se puede ver, pero esta produciendo un fenomeno gravitacional, es decir, materia con masa pero sin carga electromagnetica. Tambien se ha observado galaxias acercandose por efecto gravitacional, pero al tener en cuenta la masa total de ellas, las predicciones no concuerdan con la teoria de gravitacion de Newton. De nuevo se tiene que postular la existencia de materia oscura en el Universo. Tambien existe un fenomeno conocido como lente gravitacional que hace que los rayos de luz que provienen de galaxias muy lejanas se curven y este solo se puede explicar con la existencia de la materia oscura.

Se ha estimado la cantidad de galaxias y se dice que es solo el 5% de la materia del Universo y, de la dinamica estelar, se dice que hay un 20 % de materia oscura, es decir, hay mas materia en el Universo que la que observamos contando todas las galaxias, cumulos, estrellas etc. Podemos dar cuenta unicamente del 5% de la materia por observacion directa del Universo. Por otra, el Universo tiene mas energia de la que habiamos pensado. Con las observaciones recientes del satelite Hubble se han visto estrellas muchos mas lejanas y distancias nunca antes imaginadas. Dichas estrellas se alejan tan rapido y aceleradamente, que con las teorias de Einstein de la gravitacion, para poder explicar este fenomeno, necesitamos un 75% mas de energia. A esta se le llama energia oscura. La unica particula que podria ser candidata a materia oscura seria una particula que tuviera caracteristicas similares al boson de Higgs descubierto recientemente en el CERN.

Por esto se abriria un nuevo campo de investigacion en la fisica relacionado con la cosmologia. Hasta la fecha no se habia observado un boson o particula escalar con las caracteristicas de un Higgs, campo escalar de espin cero y carga electrica nula. Una vez que se descubre el Higgs hay posibilidad de mas Higgses en la naturaleza que tengan las caracteristicas para ser candidatos a materia oscura. Entonces, estamos en la antesala para entender el origen del Universo y como funciona. Apenas seria el comienzo de una nueva era de investigacion [6].

?Que sigue?

Identificado el Higgs con una masa cercana a 125 GeV, es decir, una masa similar a la de un atomo de uranio, entonces que sigue. Una vez detectado el Higgs es necesario producirlo en el laboratorio en abundancia y comenzar a estudiar sus decaimientos para poder conocer sus propiedades y determinar si este corresponde a un Higgs predicho por el modelo estandar de las interacciones electro-debiles o es un Higgs de una teoria mas complicada. Seria el comienzo para establecer si hay mas particulas de las ya descubiertas o solo los quarks y leptones que ya identificamos en el laboratorio. La forma mas sencilla de identificar un Higgs, aunque no la mas probable, es cuando este decae en dos fotones [H.sup.0] [flecha diestra] [gamma][gamma].

Como el Higgs no tiene carga electromagnetica, no puede interactuar con los fotones, pero se produce un fenomeno puramente cuantico, una fluctuacion del vacio, donde se crean dos campos de interaccion debil [W.sup.+] [W.sup.-], los cuales despues decaen en los dos fotones. De esta forma se identifico el Higgs en el colisionador LHC [7]. Como todas las particulas masivas interactuan con el Higgs, este puede decaer en ellas. La probabilidad de decaimiento del Higgs depende de su masa. Para el boson de Higgs del Modelo estandar con una masa de 125 GeV, como el descubieto en LHC, el modo mas probable como puede decaer un Higgs es en dos quarks bottom, los cuales tienen una masa del orden de 5 GeV, es decir, cinco veces la masa de un proton o del orden de la masa del atomo de Helio; despues decaer en dos gluones, dos leptones tau [tau], dos quarks charm, etc. Sin embargo, el decaimiento en quarks es muy dificil de identificar en un colisionador hadronico como el LHC porque a su vez los quarks decaen y las senales se pueden confundir con todos los productos de la colision donde se ha liberado toda la energia que se inyecto en los protones iniciales. La identificacion del Higgs decayendo en dos leptones tau tambien es dificil porque a su vez el tau decae en particulas mas ligeras y neutrinos, los cuales no se pueden observar en los detectores como ATLAS y CMS [7]. Sin embargo, en la medida que se sintoniza la masa del Higgs y su forma de producirlo, se podra mejorar la identificacion de los otros canales. La probabilidad de decaimiento del Higgs en dos particulas es proporcional a la masa de las particulas finales, por eso entre mas pesada la particula mas probable es el decaimiento del Higgs. El quark top tiene una masa mayor que la del Higgs y por esta razon no podria decaer en tops porque no se tendria la energia inicial necesaria para producir los tops. Decimos que este canal de decaimiento esta prohibido cinematicamente. Tambien seria muy importante estudiar como interactua el Higgs consigo mismo debido a que nos revela sus propiedades y como adquirio masa. Tambien nos daria informacion de como funciona el famoso rompimiento de la simetria que justo dio origen al Higgs.

5. Conclusion

El descubrimiento del Higgs establece que el mecanismo para generar las masas de las particulas es el correcto y el Modelo Estandar de las interacciones electrodebiles es una teoria bien formulada. Por otra parte se abre un nuevo horizonte de investigacion y la pregunta es existen mas particulas en otra escala del Universo o la historia de cierra con la gran explosion y, hasta la escala de Planck, solo hay un gran desierto. ?Existen la supersimetria, nuevos campos de Higgs, mas fermiones, dimensiones extras, nuevas corrientes neutras? LEs un campo de Higgs, singlete del Modelo Estandar, el candidato a materia oscura? [8]

Agradecimientos. A COLCIENCIAS.

Recibido el 5 de junio de 2012

Aceptado para su publicacion el 12 de junio de 2012

Referencias

[1] John D. Anderson. Pundamentals of Aerodynamics. McGraw-Hill; Pijush K. Kundu, Ira M. Cohen, Howard H. Hu. Fluid Mechanics. Elsevier/Academic Press.

[2] Peter Higgs. Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons. Physical Review Letters 13, 508 (1964); Francois Englert &: Robert Brout. Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons. Physical Review Letters 13, 321 (1964); Gerald Guralnik; C. R. Hagen &: Kibble, T. W. B. Global Conservation Laws and Massless Particles. Physical Review Letters 13, 585 (1964)

[3] L. Ginzburg & L. D. Landau. On the theory of superconductivity. Zhurnal Eksperimental'noi i Teoreticheskoi Fiziki 20, 1064, (1950). Peter Higgs. Spontaneous Symmetry Breakdown without Massless Bosons. Physical Review 14, 1156 (1966).

[4] J. Bardeen, L. N. Cooper &: J. R. Schrieffer. Theory of Supereonductivity. Physical Review 108, 1175 (1957)

[5] L. Glashow. Partial-symmetries of weak interactions. Nuclear Physics 22, 579 (1961); S. Weinberg. A Model of Leptons. Physical Review Letters 19, 1264 (1967); A. Nalato. N. Svartholm, ed. Elementary Particle Physics: Relativistic Groups and Analyticity. Eighth Nobel Symposium. Stockholm: Almquvist and Wiksell. pp. 367 (1968).

[6] S. Weinberg. Cosmology. Cambridge Academic Press; E. W. Kold & M. S. Turner. The Early Universe. Addison-Wesley; J. V. Narlikar. An Introduction to Cosmology. Cambridge Academic Press.

[7] ATLAS Collaboration. Combined search for the Standard Model Higgs boson in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector, arXiv:1207.0319 [hep-ex]; The CMS Collaboration. Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experimentat the LHC. arXiv:1207.7235 [hepex]

[8] A. Drozd, B. Grzadkowski, Jose Wudka. Multi-Scalar-Singlet Extension of the Standard Model--the Case for Dark Matter and an Invisible Higgs Boson. JHEP 1204, 006 (2012); Alexander Kusenko. Sterile neutrinos, dark matter, and the pulsar velocities in models with a Higgs singlet. Physical Review Letter 97, 241301 (2006); M. S. Boucenna, S. Profumo. Direct and Indirect Singlet Scalar Dark Matter Detection in the Lepton-Specific two-Higgs-doublet Model. Physical Review D84, 055011 (2011); John McDonald. Gauge singlet scalars as cold dark matter. Physical Review D50, 3637 (1994).

Roberto Martinez (1)

(1) Departamento de Fisica, Universidad Nacional de Colombia, Bogota. Email: remartinezm@unal.edu.co
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Title Annotation:NOTAS
Author:Martinez, Roberto
Publication:Revista de la Academia Colombiana de Ciencias Exactas, Fisicas y Naturales
Date:Jun 1, 2012
Words:4077
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