¿Qué es el bosón de Higgs? » Cienciahoy

El bosón de Higgs también se llama la partícula de Dios. El campo de Higgs es el campo de fuerza más singular conocido por la humanidad.

¿Alguna vez te has preguntado cómo todo lo que nos rodea llegó a tener masa, por qué los fotones, que componen la luz que vemos, no tienen masa, o qué pasaría si nada en el universo tuviera masa?

Estos fueron los tipos de preguntas que finalmente nos llevaron a la partícula que ahora conocemos como el bosón de Higgs.

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La idea de Higgs

La historia comienza hace unos cincuenta años, cuando los científicos apenas comenzaban a comprender las partículas elementales. Estas partículas son las unidades básicas de construcción de materia y energía en nuestro universo. Los científicos habían comenzado a trabajar en un modelo que los ayudó a clasificar y estudiar estas partículas, a las que llamaron ‘Modelo estandar‘.

Este modelo tiene dos tipos principales de partículas:partículas de materia y Partículas portadoras de fuerza.

En total, hay cuatro fuerzas fundamentales, de las cuales tres están reconocidas en el Modelo (fuerzas electromagnéticas, nucleares fuertes y débiles). Además, cada fuerza fundamental se basa en su propio conjunto de reglas definidas por las matemáticas, la física cuántica y la teoría especial de la relatividad.

En términos generales, estas reglas se denominan teorías cuánticas de campos. Entonces, técnicamente, para tres fuerzas, debemos tener tres conjuntos de reglas o tres teorías cuánticas de campos.

Icono científico vectorial Modelo estándar de física

Modelo estándar (Crédito de la foto: ShadeDesign/Shutterstock)

Pero fue mientras trabajaban en este modelo estándar, construyendo la teoría cuántica de campos para cada fuerza, que los científicos se dieron cuenta de algo extraño… Dos de las fuerzas fundamentales, la electromagnética y la débil, resultaron tener la misma teoría cuántica de campos. Esto significaba que ambas fuerzas tenían el mismo origen, al que llamaron el fuerza electrodébil.

Sin embargo, esto era bastante extraño, porque un fotón, que es un portador de fuerza de la fuerza electromagnética, no tiene masa. Por otro lado, los bosones W y Z, los portadores de fuerza de la fuerza débil, tenían algunas de las masas más altas del modelo.

Si tenían el mismo origen, ¿qué hizo que las dos fuerzas se escindieran, de modo que una ganara masa y la otra no?

Y LA PARCELA SE ESPESA...

Los físicos Robert Brout, François Englert y Peter Higgs propusieron que la masa debe haber venido de otra fuerza que también es responsable de dividir la fuerza electrodébil. Llamaron a este campo de fuerza el Fuente del ‘Campo de Higgs’.

¿Qué es el campo de Higgs?

Imagina una hoja de tela como el campo de Higgs. Cualquier tipo de perturbación en este campo, un pliegue, una onda o una abolladura, será el bosón de Higgs.

Ahora, imaginemos una partícula como una canica moviéndose en este campo. Todos sabemos cómo una canica cambiaría la tela y crearía una ligera abolladura o cambio en ella. Cualquier tipo de perturbación, que en este caso es el cambio en el tejido, se ve como la propia partícula del bosón de Higgs. En definitiva, cualquier tipo de perturbación en el campo de Higgs es lo que conocemos como bosón de Higgs. Por lo tanto, cuando una partícula interactúa con el campo de Higgs o lo perturba de alguna manera, está interactuando con el bosón de Higgs, la partícula.

Cuanto mayor sea la perturbación que crea, más se obstaculiza la velocidad de la partícula. Al igual que una canica masiva crea más perturbaciones en la tela y, por lo tanto, viaja lentamente, lo mismo ocurre con las partículas elementales.

Solo que esta vez es al revés, es decir, cuanto más perturba una partícula el campo de Higgs, más lento viaja y más masa gana. Por lo tanto, cuando observamos la masa de las partículas, sepa que las más masivas interactúan mucho con el campo de Higgs, mientras que las que no tienen masa no interactúan con él en absoluto.

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Perturbación en un campo (Crédito de la foto: peterschreiber.media/Shutterstock)

Pero, ¿en qué se diferencia el campo de Higgs de los otros campos de fuerza? Para esto, necesitamos entender los dos tipos de campos de fuerza: escalares y vectoriales.

Los campos vectoriales tienen dirección, es decir, sabemos que una fuerza se mueve de una dirección a la otra, como en el caso de un campo magnético.

Sin embargo, en el caso de los campos escalares, no hay direcciones en absoluto. Antes del descubrimiento del campo de Higgs, no conocíamos ningún campo escalar. Entonces, este es el campo de fuerza más singular, uno que también es responsable del trabajo especial de proporcionar masa a las partículas.

Visualización de fuerzas de campo colorido vectorial.  Gráfico de fluctuaciones magnéticas o gravitatorias.  Telón de fondo científico con una matriz de flechas con magnitud y dirección.  Representación de flujo.  Interacción

Campo vectorial (Crédito de la foto: GarryKillian/Shutterstock)

¿Cómo dio Higgs masa al universo?

El momento posterior al Big Bang, la temperatura del universo era extremadamente alta. No era más que un mar densamente empaquetado de partículas elementales que no tenían masa. Esto fue cuando la fuerza electrodébil estaba intacta y los fotones, las partículas W y Z no tenían masa. La pregunta es, ¿dónde estaba el campo de Higgs durante este tiempo?

Lo creas o no, el campo de Higgs estuvo allí desde el principio, pero para que entrara en acción, el universo necesitaba enfriarse a cierta temperatura (fuente).

Rápidamente, el universo comenzó a enfriarse y expandirse. Después de que el universo alcanzó la temperatura umbral para el campo de Higgs, los efectos se activaron. Cada partícula que interactuaba con el campo ganó masa. Cuanto más interactuaba la partícula con el bosón de Higgs, más se ralentizaba; esa desaceleración es lo que conocemos como la masa de las partículas.

Partículas como el bosón W y Z interactuaron mucho con el bosón de Higgs y, por lo tanto, tenían una gran masa, mientras que los fotones no interactuaron en absoluto, lo que las convirtió en las partículas más rápidas del universo y también sin masa. Los fotones eran como pequeñas canicas que nunca tocaban el campo de Higgs y, por lo tanto, nunca ganaban masa a partir de él. Por otro lado, los bosones W y Z eran canicas más pesadas que interactuaban demasiado con la estructura del campo de Higgs.

Así es como la fuerza electrodébil se dividió en fuerzas electromagnéticas y débiles.

¿Qué pasa si no hay campo de Higgs?

Hay una razón por la cual el bosón de Higgs se llama el partícula de Dios. Imagina los mismos átomos de los que estamos hechos. Esos átomos tienen electrones que giran alrededor de un núcleo pesado. Ahora imagina si no hubiera campo de Higgs. No habría un núcleo pesado y, por lo tanto, ningún electrón unido al núcleo.

Esto significa que no habría átomos y, en consecuencia, nada en el universo… ni estrellas, ni planetas, ni energía, ni materia. Por lo tanto, el bosón de Higgs esencialmente ha dado origen al universo tal como lo conocemos, por lo que se le llama acertadamente la partícula de Dios. En su ausencia, el universo se volvería, literalmente, oscuro y sin vida.

El universo que vemos ahora se desvanecerá en ausencia del campo de Higgs

El universo que vemos ahora se desvanecería en ausencia del campo de Higgs (Crédito de la foto: Nasa)

Conclusión

Aunque la teoría del bosón de Higgs se propuso hace unos cincuenta años, fue solo en las últimas dos décadas que los científicos finalmente descubrieron la partícula en el laboratorio. En el gran colisionador de anillos (donde las partículas se bombardean entre sí para crear otras partículas) en el CERN, los físicos vieron por primera vez esta partícula. Se bombardearon protones entre sí para observar la formación y el decaimiento del bosón de Higgs.

Cuando finalmente obtuvieron observaciones con suficiente precisión, el bosón de Higgs se agregó oficialmente al modelo estándar.

Se muestra la descomposición del bosón de Higgs (en amarillo) en otras partículas elementales en LHC

Se muestra la descomposición del bosón de Higgs (en amarillo) en otras partículas elementales en el LHC (Crédito de la foto: cern)

Ahora, los físicos están investigando otras partículas hipotéticas, o mejor dicho, partículas que actualmente solo existen en teoría, como la materia oscura y los monopolos magnéticos. Quién sabe, tal vez algún día tengamos la oportunidad de celebrar nuevamente el descubrimiento de una nueva partícula.

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