Es el bosón de Higgs el que da masa a los muones – Las Ciencias

En la tabla periódica, ningún elemento es más importante que otro. Pero en el modelo estándar – una teoría que explica los componentes más pequeños del universo y las fuerzas que los gobiernan, menos la gravedad – el bosón de Higgs es sin duda central. Al igual que otros bosones elementales – por ejemplo, fotones, partículas de luz – Higgs es un “portador de fuerza”, pero en lugar de llevar la fuerza electromagnética, … En la tabla periódica, ningún elemento es más importante que otro. Pero en el modelo estándar – una teoría que explica los componentes más pequeños del universo y las fuerzas que los gobiernan, menos la gravedad – el bosón de Higgs es sin duda central. Al igual que otros bosones elementales – por ejemplo, los fotones, las partículas de luz – Higgs es un “portador de fuerza”, pero en lugar de aportar una fuerza electromagnética, fuerte o débil, aporta masa a todas las partículas elementales a través del llamado campo de Higgs, que impregna el universo.

Las partículas que interactúan, o se “aparean” fuertemente con el campo de Higgs son masivas. Los que se aparean débilmente con ella son más ligeros. Los fotones no interactúan con el Higgs en absoluto y por lo tanto no tienen masa.

Pero probar experimentalmente que todas las partículas elementales con masa tienen masa debido al campo de Higgs ha seguido siendo difícil. Ahora, por primera vez, los físicos de partículas han encontrado pruebas directas de que este campo es el mecanismo que da masa a los muones, los primos más pesados de los electrones. Los análisis de los datos de ATLAS y CMS, dos experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, mostraron que el bosón de Higgs puede descomponerse en dos muones, lo que demuestra que los muones se aparean con el campo de Higgs, del que obtienen su masa.

A los físicos de partículas no les sorprende el resultado. El modelo estándar, que ha demostrado ser extraordinariamente preciso, predice que el campo de Higgs da masa a todas las partículas elementales. Pero para confirmar esta idea de hecho, los científicos necesitan pruebas experimentales para cada tipo de partícula, explica Stefania Gori, física teórica de la Universidad de California en Santa Cruz, que no participó en la investigación.

“Por supuesto, el modelo estándar es una gran teoría”, dice. “Pero ver [el Higgs interactuar] en la naturaleza tiene un peso muy diferente que sólo una suposición debido a nuestra teoría.”

En 2012, cuando ATLAS y CMS descubrieron una nueva partícula, fue inicialmente denominada como Higgs

porque nadie sabía cuántas propiedades compartiría con el bosón de Higgs que habían sido postuladas por un grupo de físicos a principios de la década de 1960. “No creo que, por algo escrito en 1964, esto signifique que una medición alcance inmediatamente todo lo demás”, dice Tristan du Pree, un físico experimental de ATLAS. “Por eso creo que [un Higgs descomponiéndose en dos muones] era todavía una prueba muy importante que podría haber dado otro resultado.”

A medida que el bosón de Higgs pasó otras pruebas y apareció más y más “similar a Higgs”, la calificación de “similar” fue abandonada tranquilamente. Pero el esfuerzo por entender las propiedades de la partícula simplemente creció.

Cómo encontrar un Higgs
Para crear un bosón de Higgs desde cero, los físicos aplastan las partículas como en una prueba de

choque subatómica. El LHC proporciona la energía necesaria: acelera los protones casi a la velocidad de la luz, dando a cada uno una energía de 6500 gigaelectronvoltios, o GeV (en reposo, los protones tienen una energía de alrededor de 1 GeV). Estos protones acelerados circulan por los 26,7 kilómetros de túneles del LHC hasta que colisionan. Estas colisiones crean un rocío de desechos de partículas y, en raros casos, el escurridizo bosón de Higgs.

No es posible observar el bosón de Higgs, que dura alrededor de un sexto de segundo, pero los científicos pueden ver en qué partículas se descompone.

La evidencia inicial del bosón de Higgs proviene de su decadencia en su prójimo.

Las decadencias de las partículas son una cuestión de aleatoriedad descrita por las llamadas relaciones deramificación. Cada uno de los muchos procesos de decadencia posibles es una “rama” con una cierta probabilidad, un poco como tirar un dado para elegir el camino a seguir en un cruce con muchas bifurcaciones. En general, el Higgs, que tiene una energía de 125 GeV, se descompone más fácilmente en partículas pesadas que en las ligeras.

por Guido Tonelli, Sau Lan Wu y Michakle RiordanAsí, por ejemplo, su decadencia creará un chorro de fondo de quark a 4 GeV 10 veces más a menudo que una lluvia de amuletos de quark a 1 GeV. Un bosón de Higgs en descomposición con dos muones (cada uno “pesa” 0,17 GeV) es relativamente raro – sólo ocurre una vez en 5000. Cuando se produce tal decadencia, ATLAS y CMS ven dos muones con una energía combinada de 125 GeV volando en direcciones opuestas.

La última medición combinada es estadísticamente significativa para casi cuatro sigma, es decir, hay alrededor de una en 15.000 posibilidades de que el resultado sea una casualidad, suponiendo que el Higgs no se descomponga en muones. Es una evidencia fuerte, pero menos que el estándar de cinco sigma (una de cada tres millones y medio de posibilidades) que los físicos buscan.

Anteriormente, la evidencia de que el Higgs podía descomponerse en dos muones era tan débil que los esfuerzos de los teóricos para encontrar modelos en los que el muón derivaría su masa en otro lugar estaban perfectamente justificados. Una propuesta de otro físico – que du Pree llamó de manera un tanto irreverente el “modelo TRISTANdard” – utilizó por ejemplo tres variedades diferentes del bosón de Higgs para dar masa a cada generación de partículas.

La convención establece que los 12 fermiones (partículas de materia) del modelo estándar se dividen en tres generaciones. Las partículas de una generación tienen homólogas en otra generación que muestran propiedades y comportamiento idénticos – hasta donde sabemos – excepto por la masa.

En esta perspectiva, las partículas tau son versiones más masivas de los muones, que son simplemente versiones más masivas de los electrones. Y como lo que llamamos “masa” es sólo el resultado de cuánto una partícula interactúa con el campo de Higgs, la diferencia entre cada generación sólo podría ser tanto como cada partícula se empareje con el bosón de Higgs. Pero hasta ahora no había evidencia de que el Higgs se acoplara con los fermiones fuera de la tercera generación.

por Charlie Wood/Quanta Magazine”Esta es la primera vez que ha habido una interacción entre el Higgs y la segunda generación”, dice Marc Sher, físico teórico del Colegio de William & Mary, que no participó en la investigación. “Es realmente una prueba especial de universalidad, porque si hubiera algo diferente con las generaciones, ese podría ser el primer lugar donde lo verías.

Desafortunadamente para los físicos que tratan de desviarse de las predicciones del modelo estándar, el muón parece obtener su masa del mismo lugar que las partículas tau. Pero en muchos sentidos, la búsqueda de la nueva física de Higgs está empezando.

En junio, el informe de 2020 del Grupo de Estrategia Europea, un consorcio de físicos de partículas que se reúne periódicamente para determinar las prioridades de investigación para Europa, dijo que su principal prioridad es estudiar las propiedades del Higgs. El informe afirma que “el bosón de Higgs es una partícula única que plantea profundas preguntas sobre las leyes fundamentales de la naturaleza. También ofrece una poderosa herramienta experimental para estudiar esas preguntas”.

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