Qué es el campo de Higgs y cómo da masa: definición del bosón de Higgs

El efecto Higgs fue teorizado por primera vez en 1968 por los autores de los documentos de ruptura de simetría de la PRL. En 1964, tres equipos escribieron artículos científicos que proponían enfoques relacionados pero diferentes para explicar cómo podía surgir la masa en las teorías gauge locales.

En 2013 el bosón de Higgs, e implícitamente el efecto Higgs, fueron probados tentativamente en el Gran Colisionador de Hadrones (y el bosón de Higgs fue descubierto el 4 de julio de 2012). El efecto se consideró como el hallazgo de una pieza que faltaba en el Modelo Estándar.

Según la teoría gauge (la teoría subyacente al Modelo Estándar), todas las partículas portadoras de fuerza deberían carecer de masa. Sin embargo, las partículas de fuerza que median en la fuerza débil tienen masa. Esto se debe al efecto Higgs, que rompe la simetría SU(2); (SU significa unitario especial, un tipo de matriz, y 2 se refiere al tamaño de las matrices implicadas).

Una simetría de un sistema es una operación realizada a un sistema, como la rotación o el desplazamiento, que deja el sistema fundamentalmente inalterado. Una simetría también proporciona una regla sobre cómo debe actuar algo siempre, a menos que actúe una fuerza externa. Un ejemplo es el cubo de Rubik. Si tomamos un cubo de Rubik y lo desordenamos haciendo los movimientos que queramos, sigue siendo posible resolverlo. Como cada movimiento que hacemos sigue dejando el cubo de Rubik resoluble, podemos decir que estos movimientos son "simetrías" del cubo de Rubik. Juntos, forman lo que llamamos el grupo de simetría del cubo de Rubik. Hacer cualquiera de estos movimientos no cambia el puzzle, dejándolo siempre resoluble. Pero, podemos romper esta simetría haciendo algo como desmontar el cubo, y volver a montarlo de una forma completamente errónea. No importa qué movimientos intentemos ahora, no es posible resolver el cubo. Romper el cubo y volver a unirlo de forma incorrecta es la "fuerza exterior": Sin esta fuerza exterior, nada de lo que hagamos al cubo lo hace irresoluble. La simetría del cubo de Rubik consiste en que sigue siendo resoluble independientemente de los movimientos que hagamos, siempre que no desmontemos el cubo.

Creación del bosón de Higgs

La forma en que se rompe la simetría SU(2) se conoce como "ruptura espontánea de la simetría". Espontáneo significa aleatorio o inesperado, las simetrías son las reglas que se cambian, y la ruptura se refiere al hecho de que las simetrías ya no son las mismas. El resultado de la ruptura espontánea de la simetría SU(2) puede ser un bosón de Higgs.

Razón del efecto Higgs

El efecto Higgs se produce porque la naturaleza "tiende" hacia el estado de menor energía. El efecto Higgs se producirá porque los bosones gauge cercanos a un campo de Higgs querrán estar en sus estados de menor energía, y esto rompería al menos una simetría.

Para justificar la concesión de masa a una supuesta partícula sin masa, los científicos se vieron obligados a hacer algo fuera de lo común. Supusieron que el vacío (el espacio vacío) en realidad tenía energía, y que así, si una partícula que consideramos sin masa entraba en él, la energía del vacío se transferiría a esa partícula, dándole masa. Un matemático llamado Jeffrey Goldstone demostró que si se viola una simetría, (por ejemplo, una simetría con un cubo de Rubik sería si se establece que las esquinas deben estar siempre giradas 0 o 3 veces para ser resoluble (funciona)), se producirá una reacción. En el caso del cubo de Rubik, el cubo se volverá irresoluble si se viola. En el caso del campo de Higgs, se produce algo que lleva el nombre de Jeffrey Goldstone (y de otro científico que trabajó con él llamado Yoichiro Nambu), un bosón Nambu-Goldstone. Se trata de una forma excitada o energética del vacío, que puede graficarse revelando lo mostrado anteriormente. Esto fue explicado por primera vez por Peter Higgs.