Bosón de Higgs

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Fermiones y bosones.

Partículas elementales.

Sobre el bosón de Higgs (H⁰), tengo más preguntas, enigmas e inquietudes, que respuestas.

Escribo en azul algunas de ellas. 

Quizás compartirlas nos ayude a ambos a vislumbrar algunas respuestas, o por lo menos a revisar algunos conceptos físicos interesantes.

• Se trata de un bosón, no tiene que satisfacer el Principio de Exclusión de Pauli y entonces, podría haber una gran cantidad de ellos en una pequeña región del espacio, todos en el mismo estado cuántico.
  ¿Podría existir entonces un Concentrado Bose-Einstein de bosones de Higgs?
• Al igual que el fotón, el gluón, la partícula Z y los neutrinos, no posee carga eléctrica, entonces el H^o es al mismo tiempo su antipartícula.
  Y cómo me dijo un amigo, si hacemos una analogía con supuestas partículas celestiales, ¿sería al mismo tiempo -ángel y demonio-?
• No tiene momento angular intrínseco (spin), por eso es un bosón,  no existe entre ellos la quiralidad o la helicidad, entonces:
  No hay Higgs zurdos ni derechos y ¿todos son “estériles”?
• Como no tiene carga eléctrica, no puede ser acelerado por un campo eléctrico o un campo magnético (Fuerza de Lorentz igual cero).
  En esas circunstancias viajarían en línea recta (Primera ley de Newton).
• La masa reportada es la mayor de todas las partículas elementales (m = 126 GeV/c²).
  ¿Contribuyen de alguna manera (por ser bosones) a la masa de una estrella de neutrones, o de un agujero negro?
• No son fermiones, no son pues los supuestos constituyentes de la materia conocida del universo.
  ¿Son los principales constituyentes de la “materia oscura”?
• Si se interpreta la masa reportada, simplemente como pura energía, de manera similar al fotón (masa en reposo igual cero):
  Podría desplazarse a la velocidad de la luz, pues no hay problema con su masa relativista (m= E/c²)
  ¿Contribuyen a la “energía oscura” del universo?
• Pero si la masa reportada se interpreta como masa en reposo m₀, entonces
  No puede alcanzar la velocidad de la luz, ya que si lo hiciera se presentaría una inconsistencia, pues su masa relativista se haría infinita m = m₀/√(1-v²/c²).
• Como tiene masa y velocidad, tiene cantidad de movimiento (momento lineal) p = mv.
  Si colisionara con fermiones, o con otros bosones, ¿se conservaría o no la energía cinética? (colisiones elásticas e inelásticas).
• Supongo que se les puede aplicar la ecuación de de Broglie (λ = h/p).
  ¿Qué significado tiene la longitud de onda (λ) asociada a la partícula H^o?

Dejo de último las interrogantes que creo más difíciles. Supongo que encontrará en la red algunas explicaciones, incluyendo símiles clásicos. Tenga cuidado, la mecánica cuántica por lo general no tiene paralelismo con la mecánica clásica.

• El bosón de Higgs se propuso como la partícula de intercambio en el campo de Higgs, la cual proporciona la masa a los fermiones,
• ¿Cómo lo hace?
• ¿Cómo se proporciona la masa a sí mismo?

Si puede ayudarme a despejar aunque sea un poco mis interrogantes, se lo agradezco.

Desde luego podemos conversar todo lo que guste, para aprender, o simplemente para divertirnos.

Fermiones y bosones - Partículas realmente elementales

Cuando pensamos en las propiedades fundamentales de las partículas microscópicas, subatómicas, específicamente las partículas elementales, yo me imagino algo como diminutas pelotitas de cierto tamaño, que pueden moverse, y sin pensarlo mucho, diría que deben poseer masa, ya que las considero principalmente como partículas de materia, aunque muchísimo menos que millonésimas de millonésimas de millonésimas  de kilogramo 

Quizás ya desde la escuela podemos asignarles algunas otras propiedades a esas partículas, como carga eléctrica (positiva, negativa o nula) y si tenemos suerte en el colegio, o en la universidad, al menos escuchamos sobre la propiedad denominada spin y alguna otra.

Ahora, desde la infancia, la televisión de seguro puso en contacto a nuestros hijos con una ¡partícula sin masa!, el fotón, que por ese hecho se mueve a la velocidad de la luz (c). No tiene carga eléctrica, pero si energía y cantidad de movimiento, dos propiedades que desde el colegio asociamos con masa y velocidad. Y para complicarnos más la vida, a veces su comportamiento puede explicarse mejor como si fuera una onda (fisica1011tutor.blogspot.com/luz-onda-o-partícula).

Ya desde 1905, Albert Einstein nos enseño la equivalencia entra masa y energía, por medio de la relación E = mc², así que masa y energía son como dos caras de la misma moneda; kilogramos (kg) y joules (J), pueden convertirse matemáticamente uno en el otro, por medio de la ecuación anterior y en la realidad en un reactor nuclear o un acelerador de partículas, como el de Fermilab.

Desde que el ser humano descubrió el fuego comenzó a convertir materia en energía y en los últimos 60 años los físicos han aprendido que si se dispone de grandes cantidades energía se puede producir todo un zoológico de partículas (y antipartículas), incluyendo las que nos interesan por ahora, las partículas elementales con masa (quark, electrón, muón, tauón, neutrino) o sin masa (fotón, gluón, W, Z y ...), como ocurre en las estrellas, o como ocurrió al inicio del universo, de acuerdo con la explicación que llamamos Big Bang. 

Reproducir esas condiciones en un laboratorio, de manera controlada, es uno de los propósitos de las investigaciones que se realizan en CERN y en otros sitios con aceleradores de partículas. La tarea no es simple, pero tiene la ventaja de que no requiere viajar a una estrella, ni al singular y único momento del inició el universo. Las condiciones se pueden repetir miles de millones de veces en un laboratorio.

Así que, de los electrones, protones y neutrones que nuestros nietos están comenzando a estudiar en la escuela (-eso espero-), solo el electrón ha permanecido como una partícula elemental (no tiene una subestructura).
Se ha descubierto que las otras dos están compuestas por dos tipos de quark,que sí son partículas elementales, de la siguiente manera:

• El protón (2 quark up, 1 quark down).
• El neutrón (2 quark down, 1 quark up).

Entonces, hasta ahora, todos los átomos de los elementos que hay en el universo, se pueden construir con solo estas tres partículas elementales: electrón, quark up y quark down.

La tabla  de la derecha resume los nombres y algunas propiedades de las 16 partículas elementales, de acuerdo con el Modelo Estándar de la Física de partículas.

¡Pero ahora hay una más  el bosón de Higgs!  ¿Cuál será el motivo?

Doce de las ahora 17 partículas elementales, los seis tipos diferentes de quark, el electrón, el muón, el tauón y tres tipos diferentes de neutrinos, son partículas de materia. Los físicos las llaman colectivamente fermiones.

Los fermiones comparten varias características genéricas importantes, por ejemplo:

• Tienen spin con valor semientero (1/2, 3/2, 5/2, etc.)
• Satisfacen una ley de la mecánica cuántica denominada Principio de exclusión de Pauli, la cual establece que dos fermiones no pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo; para que coexistan deben tener al menos uno de sus  números cuánticos diferente.
• El tratamiento matemático de una colección de estas partículas debe hacerse por medio de la Estadística de Fermi-Dirac.

Ahora bien,sabemos que las doce pelotitas de materia (fermiones), tanto por sí mismas, como cuando forman núcleos y átomos de los elementos en el universo, interaccionan entre sí. Esta interacción produce los fenómenos conocidos del electromagnetismo; las extraordinarias fuerzas de corto alcance para unir quarks y mantener la estabilidad del núcleo atómico (interacción nuclear fuerte); la interacción nuclear débil, responsable del decaimiento del neutrón y de la radiactividad; y la cotidiana pero aún enigmática interacción gravitatoria. ¿Cómo lo hacen?

Según el Modelo Estándar  esas interacciones se producen a través del intercambio de partículas, de la siguiente manera:

• El fotón (γ) es el responsable de la interacción electromagnética.
• El gluón (g) se hace cargo de la interacción nuclear fuerte.
• Las partículas Z y W son responsables de la interacción nuclear débil.

Estas otras cuatro partículas elementales, o mejor digamos 5, para incluir el H⁰,  se llaman colectivamente bosones y entre sus propiedades de grupo tenemos que:

• Tienen spin entero (0, 1, 2, etc.)
• No están sujetas a satisfacer el Principio de Exclusión de Pauli, esto es, varios bosones pueden coexistir en el mismo estado cuántico al mismo tiempo.
• El tratamiento matemático de una colección de estas partículas debe hacerse por medio de la Estadística de Bose-Einstein.

¿Y la quinta partícula, el bosón de Higgs (H^o), que aporta?

Seguro se dieron cuenta que no mencioné nada sobre la partícula  responsable de la interacción gravitatoria. Ese es un tema dificil aún para los físicos de mucha esperiencia. Se ha postulado la existencia de un sexto bosón, llamado gravitón, pero ...

Bueno, si me atrevo, en unas dos semanas le contaré algo sobre el H⁰.

Por ahora le diré que, según el Modelo Estándar, la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, como si lo es la carga eléctrica y el spin. 

El modelo funciona bien si al inicio del big-bang, todas las partículas no tenían masa.Si se aplica a partículas con masa el modelo no produce resultados correctos. 

Entonces, ¿cómo adquieren la masa los fermiones?

La mejor explicación hasta ahora es asociar a cada punto del espacio-tiempo una cantidad física (un campo) que por medio de algún mecanismo y a través de una partícula de intercambio, un bosón muy especial, produzca el efecto de masa. Así un neutrino, atravesaría el espacio-tiempo prácticamente sin experimentar ningún efecto asociado a lo que sería su masa casi nula, mientras que un electrón, un muón o un quark tendrán una interacción proporcional a la gran masa que se les ha medido.

Esso es lo que hace el Campo de Higgs, vía interacción con el bosón de Higgs.

Referencias:

Noticias del mundo subatómico.

Partículas elementales

Cuando estaba en la Escuela República de Colombia, en Naranjo de Alajuela, allá por 1953, aprendiendo de la maestra Chabela Rojas, creo que para mi todas las sustancias de la naturaleza, eran continuas; el aire, el agua, la madera del pupitre y las hojas de los cuadernos. 

Las únicas partículas que conocía, es decir, pequeños pedacitos de materia, además de los granos de arroz y frijoles, eran las coloridas bolas de vidrio, con las que jugábamos a las chócolas, en los patios de las casas de mis amigos y compañeros de grado.

De seguro vi granitos de arena en la playa, cuando hicimos un paseo a Puntarenas en 1952 y desde luego los cristalitos de sal que quedan en la piel  después de la asoleada en la playa.  
Supongo que visualice los finos granos el café molido (en mi casa se recogía, asoleaba, tostaba y molía),de la sal y del azúcar, junto con el polvo de la tiza, pero la existencia de microscópicos trozos de materia, no estaba entre mis pensamientos; mi primera observación con un microscopio estaba aún muy lejana.

En 1958, en las lecciones de Física en el Colegio de Naranjo, con el excelente profesor de San Ramón, Hugo Lizano, de seguro que aprendí por primera vez sobre electrones, núcleos atómicos, protones y neutrones. A la distancia que estoy ahora en el tiempo, no puedo recordar si para mí eran simples palabras, en un lenguaje científico que apenas vislumbraba y más o menos comprendía, o si realmente tenía claro el concepto de partículas subatómicas, quizás ni aún ahora.

A mediados de los años sesenta, el modelo del átomo, los orbitales, el spin del electrón, el principio de exclusión de Pauli y los elementos de la tabla periódica, llegaron de manera clara a mi mente por primera vez, durante las clases de Química con los doctores Guillermo Chaverri y Gil Chaverri.

El fotón y los saltos cuánticos entre niveles de energía, se aclararon con el Dr. Santos, un físico argentino que contrató el Departamento de Física y Matemática de la Universidad de Costa Rica, para impartir uno de los primeros cursos de Física Moderna para la primera y segunda graduación de bachilleres en Física y Matemática, en Costa Rica.

Para 1968, en la Universidad de Texas, en Austin, había repetido el Experimento de Frank y Hertz, en el laboratorio del Dr. Robert N. Little. Esta experiencia fue realizada por primera vez en 1914 y daba soporte experimental al Modelo Atómico de Bohr y por consiguiente a la Mecánica Cuántica. Esto les valió el Premio Nobel de Física en 1925. Pero los quark up, quark down, quqrk strange etc., creo que solo los escuché de pasada, pues mi interés en esos años no se centraba en esos temas.

En 1987 dado mi nuevo interés, como aficionado a la Astronomía y gracias a la Supernova 1987A, en la Nube Mayor de Magallanes, escuché con más cuidado sobre los neutrinos, que se producen en este tipo de explosiones estelares. Llegaron a algunos observatorios en la Tierra, unas 3 horas antes que la luz, pero esto no es nada extraño, ya que el mecanismo de producción de estas partículas ocurre primero que el de producción de fotones visibles.

Pero en realidad solo me interesé en ellas, para estudiarlas, hasta que mi amigo Edgar Espinoza insistió en que discutiéramos al respecto. Luego del experimento que mostró la posibilidad de neutrinos viajando más rápido que la luz, en setiembre de 2011, algo que sí fue extraño. Debido a su espinoza acuciosidad y luego de dos provechosas reuniones aderezadas con vino tinto y deliciosa pasta italiana, escribí Paradojas neutrinoides, Todos los neutrinos son zurdos y Neutrinos con sabor oscilante.

Peter Higgs

Ahora hay una nueva partícula que llama mi atención, un bosón particular; el Bosón de Higgs. De nuevo Edgar me  propone que investigue sobre ella y escriba algo, al menos como una base de discusión, así que no me queda más que aceptar la tarea, con mucho gusto.
Espero producir alguna combinación didáctica-científica-periodística en unas pocas semanas.
 

Debo recordarle que en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), se realizan experimentos con el Gran colisionador de hadrones, cuyo propósito es detectar, la existencia del bosón de Higgs, la partícula que hace falta en el Modelo Estándar, para proporcionar la masa a las partículas de materia (fermiones). Parece que están cerca de lograrlo.

Por ahora le sugiero visitar las ligas de esta entrada sobre Partículas Elementales, para que usted y yo nos preparemos para lo que pueda venir.