miércoles, 11 de julio de 2012

Acerca del campo de Higgs

La importancia que la teoría de Higgs adquiere en física está relacionada, principalmente, a que permite describir la unificación entre las fuerza electromagnética y la nuclear débil, denominada fuerza electrodébil. Las fuerzas de la naturaleza son descriptas mediante el intercambio de partículas mediadoras (bosones) que son emitidas por partículas emisoras y receptoras que establecen la interacción (fermiones). Los fermiones responden a la estadística de Fermi-Dirac y al principio de exclusión de Pauli. Por otra parte, la denominación “bosón” se asocia a las partículas que responden a la estadística de Bose-Einstein, siendo S. N. Bose un físico hindú. Tienen un espín entero y no cumplen con el principio de exclusión. Según la teoría cuántica de campos, todo campo está constituido por partículas; de ahí que se hable tanto del “campo de Higgs” como de la “partícula de Higgs”............................................. Mientras que las fuerzas de largo alcance, como el electromagnetismo, son establecidas mediante el intercambio de partículas sin masa, como es el caso del fotón, las fuerzas de corto alcance, como la fuerza nuclear débil, se establecen mediante el intercambio de partículas con masa no nula. Por esta razón, parecía poco razonable establecer la unificación de ambos tipos de fuerzas. Sin embargo, algunos físicos pensaron en la posibilidad de que, a muy altas temperaturas, similares a las existentes en los primeros instantes del universo, existiría solamente una fuerza. Luego, al irse expandiendo y enfriando, comenzarían a actuar las fuerzas que hoy conocemos y que son esencialmente cuatro: electromagnética, gravitacional, nuclear débil y nuclear fuerte................................. Se pensaba que, estando el universo primitivo estructurado por una sola fuerza, las ecuaciones que lo regían habrían de permitir una gran cantidad de posibilidades para su posterior desarrollo, pero sólo una de ellas habría de materializarse en el universo que actualmente conocemos. Esto dio lugar al concepto de “ruptura espontánea de la simetría”. Steve Weinberg escribió: “En tales casos decimos que la simetría está rota, aunque un término mejor sería «oculta», porque la simetría permanece en las ecuaciones y estas ecuaciones gobiernan las propiedades de las partículas. Llamamos a este fenómeno una ruptura espontánea de simetría, porque nada rompe la simetría en las ecuaciones de la teoría; la ruptura de simetría aparece espontáneamente en las diversas soluciones de estas ecuaciones” (De “El sueño de una teoría final”-Critica SL-Barcelona 1994).......................... Por lo general se utilizan analogías para graficar lo que le sucedió al universo primitivo. Se supone que se trataba de una situación inestable, como es el caso de un lápiz apoyado verticalmente sobre su punta. Potencialmente puede caer hacia cualquier lado, por lo que se trata de una situación simétrica. Pero, una vez que lo soltamos, cae en una determinada posición; se ha roto la simetría previa y ahora tenemos una posición concreta............................... En el caso de la unificación electrodébil, se suponía que al existir inicialmente una sola fuerza, las partículas carecerían de masa. Cuando comienza a enfriarse el universo primitivo y aparecen las fuerzas diferenciadas, algunas de esas partículas adquieren masa debido a su interacción con el campo de Higgs, permitiendo que la fuerza electrodébil tenga tanto bosones sin masa, como es el caso del fotón, y también bosones masivos, como el W-, el W+ y el Z. Timothy Ferris escribió: “En los años sesenta, Steven Weinberg, junto con Sheldon L. Glashow y Abdus Salam, encontró una simetría que relaciona el fotón sin masa, portador de la fuerza electromagnética, con los bosones masivos involucrados en la fuerza nuclear débil, que es la mediadora en la desintegración radiactiva. Los bosones masivos son el W- con carga negativa, el W+ con carga positiva y el Zo neutro. El fotón no se parece en absoluto a estas partículas. La razón, comprendió Weinberg, es que la simetría que los relaciona se ha roto. Como Weinberg dijo más tarde: «Estas partículas guardan un parentesco, están íntimamente relacionadas por un principio de simetría que dice que realmente son todas la misma cosa y que la simetría está rota. La simetría esta allí en las ecuaciones subyacentes a la teoría, pero no está presente en las soluciones de las ecuaciones. No está presente en las propias partículas. Esta es la razón de que los W y el Z sean mucho más pesados que el fotón»”................................ “Para resumir, la física de partículas puede considerarse como el estudio de las simetrías, tanto las realizadas como las rotas. Las simetrías rotas son características del presente, y las intactas pueden haber estado manifiestas cuando el universo era joven. Las partículas pueden verse así como evidencia de sucesos de ruptura de simetría que tuvieron lugar en el big bang. Como dice Weinberg. «La importancia de que las simetrías estén rotas reside en que esto es lo que hace el mundo de la forma que es. La razón de que los electrones sean diferentes de los quarks, y que el up sea diferente del down, y que la tiza sea diferente del queso, todo tiene que ver con la ruptura de simetrías subyacentes a las ecuaciones que todavía no conocemos, ecuaciones que gobiernan todo lo que sucede en el universo. La tarea del físico consiste en ver a través de las apariencias hasta llegar a la realidad simétrica y muy simple subyacente»” (De “Informe sobre el universo”-Critica SL-Barcelona 1998)...................................... Debido al importante papel que tiene el campo de Higgs, y la partícula que lo constituye, en la etapa primitiva del universo, y al ser la causa por la cual aparece la masa, característica esencial de la materia y de todo lo existente, alguien tuvo la idea de denominarla como la partícula de Dios, tal como se titula un libro de divulgación escrito por el físico Leon Lederman (“La partícula divina”«The God Particle»-Critica SL-Barcelona 1996). Algunos aspectos históricos de su introducción en la física son relatados por Sheldom L. Glasgow, quien escribió: “Jeffrey Goldstone había demostrado que la rotura espontánea de la simetría, en el contexto de la teoría cuántica de campos, conduce a la existencia de partículas sin masa denominadas (por todos menos por Jeffrey) bosones de Goldstone. No se habían visto nunca y es muy probable que no existan. La ruptura espontánea de la simetría parecía únicamente una insignificante patología de la teoría, sin nada que ver en absoluto con el mundo observable. En 1964, el físico escocés Peter Higgs demostró, junto con otros, que en una teoría gauge los presuntos bosones de Goldstone resultan devorados por partículas gauge sin masa, que adquieren masa en este proceso. Higgs creyó que se trataba de una propiedad más de la teoría, una propiedad tan curiosa como inútil”................... “Pero Steve Weinberg y Abdus Salam, que estaba en Trieste, comprendieron por caminos separados que el fenómeno de Higgs era precisamente lo que faltaba para construir una teoría electrodébil con sentido común. El proceso de Higgs podía aprovecharse para dar masa a los mediadores de las interacciones débiles. Cuando mi viejo modelo se complementó con un sistema de mesones sin espín y sometidos a la ruptura espontánea de simetría, todo funcionó de maravilla. El mecanismo de Higgs no sólo generaba la masa de las partículas W y Z, sino que era además el agente por el que los quarks y los leptones podían adquirir su masa. El mecanismo de Higgs, por lo visto, era la clave para comprender el origen de la masa de todas las partículas elementales. Las leyes de la física podían ser del todo simétricas, a pesar de la asimetría y complejidad de los fenómenos que reflejaban una rotura espontánea de simetría comparable a la aparición espontánea de magnetismo en un trozo de hierro”.............................. “Las fuerzas débil y electromagnética parecen muy distintas sólo porque da la casualidad de que vivimos en una etapa tardía de la evolución del universo, en la que éste se ha enfriado y se ha vuelto cristalino y asimétrico. Hace muchísimo tiempo, cuando aún estaba caliente, ardía con todo su esplendor y no admitía la existencia de los mortales, manifestaba una simetría de primerísimo orden”.......................... “El perfeccionamiento de mi teoría electrodébil por Weinberg-Salam contenía más novedades interesantes. El mecanismo de Higgs es tan dócil que conduce a una teoría coherente de las interacciones débiles, libre de la epidemia de los infinitos. En otras palabras: la teoría gauge con ruptura espontánea de simetría es renormalizable. Steve y Abdus no lo sabían, pero lo sospechaban y así lo dijeron en sus publicaciones. Cuando, tiempo después, un joven doctorando holandés, Gerard't Hooft, confirmó la hipótesis, el mundo empezó a tomarse en serio la teoría electrodébil”............................... “El mecanismo de Higgs es la forma más sencilla que se conoce de generar rotura espontánea de simetría y, en consecuencia, de producir una teoría renormalizable de las interacciones débiles y electromagnéticas. Puesto que yo ya conocía a Goldstone y a Higgs cuando hicieron estos importantes descubrimientos y, más aún, puesto que yo había sido uno de los primeros abanderados de la teoría gauge unificada de las fuerzas débil y electromagnética, me quedé de una pieza al comprobar mi estupidez por no haber sabido sumar dos y dos en 1964. Al igual que todas las grandes ideas científicas, el trabajo teórico de Weinberg-Salam es transparente como la luz del día cuando se contempla retrospectivamente. Por otro lado, no estoy seguro de que el mecanismo de Higgs sea una opción de la naturaleza. A mí se me antoja una construcción forzada y de mal gusto que se ha impuesto a una teoría por lo demás elegante. Sus únicas virtudes son que funciona y que nadie ha propuesto una alternativa convincente; hasta ahora”........................... (De “Interacciones”-Tusquets Editores SA-Barcelona 1994). Por su parte, Gerard't Hooft escribió: “Fueron el belga Françoise Englert, el americano Robert Brout y el escocés Peter Higgs los que descubrieron que la superconductividad podría ser importante para las partículas elementales. Propusieron un modelo de partículas elementales en el cual partículas eléctricamente cargadas, sin espín, sufrían una condensación de Bose. Esta vez, sin embargo, la condensación no tenía lugar en el interior de la materia sino en el vacío. Las fuerzas entre las partículas tenían que ser elegidas de tal manera que se ahorrara más energía llenando el vacío de estas partículas que dejándolo vacío. Estas partículas no son directamente observables, pero podríamos sentir este estado, en cuyo espacio y tiempo están moviéndose las partículas de Higgs (como se las conoce ahora) con la mínima energía posible, como si el espacio tiempo estuviera completamente vacío” (De “Partículas elementales”-Critica SL-Barcelona 2001). Es oportuno mencionar que en el citado libro de Gerard't Hooft se habla del “mecanismo de Higgs-Kibble” debido a los aportes posteriores de Thomas Kibble................... El reciente descubrimiento experimental (Jun/2012) de la partícula de Higgs, anunciado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) es un gran aliciente que recibe la comunidad de físicos de partículas por cuanto confirma que las teorías vigentes gozan de un fundamento experimental convincente.

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