¿Qué pasaría si el campo de Higgs fuera cero?

El campo de Higgs es un tema tan importante que incluso merece todo un complejo experimental, el Gran Colisionador de Hadrones, diseñado para estudiarlo. Este misterioso campo es, en promedio, distinto de cero, cubre todo el Universo, como si fuera un líquido invisible, y afecta a las masas de partículas elementales conocidas. Pero, ¿y si fuera un promedio de cero? ¿Cómo sería nuestro mundo?

Sería mortal para nosotros, no habría átomos en él, pero en cierto sentido sería mucho más simple y mejor organizado. Veamos cómo exactamente.


Fig. 2

Tomar una foto 2 de un artículo sobre partículas conocidas (debe leerse antes de este artículo). Representa las bien conocidas partículas elementales de la naturaleza y el Higgs del Modelo Estándar. Las líneas indican qué partículas se influyen entre sí. Puede ver tres de las cuatro interacciones conocidas de la naturaleza (la gravedad se excluye por claridad): interacción fuerte (con gluones como portadores), electromagnetismo (portador - fotón), interacción débil (portadores - W y Z). Se puede ver que los neutrinos, los leptones cargados y los quarks no interactúan directamente entre sí, solo se ven afectados por los portadores de interacción. Y finalmente, el campo de Higgs, que no es cero en nuestro Universo, indicado por el campo verde, afecta a todas las partículas elementales masivas conocidas y, de hecho, es responsable de la presencia de masa.


Fig. 3

Compare esto con la fig. 3, que representa el mundo de partículas que existiría si el campo de Higgs fuera cero. ¡Mire cuidadosamente y verá muchas diferencias!

• En lugar de las interacciones electromagnéticas y débiles que existen en nuestro mundo con un campo de Higgs distinto de cero, en un mundo con un campo de cero estas fuerzas serían redistribuidas y distorsionadas. Las fuerzas convertidas se llaman hipercarga e isospin (por razones históricas; los nombres no tienen significado).
• Durante este reordenamiento, las partículas transportadoras de las interacciones también cambian. Aparecieron 3 partículas W y una X, y Z ⁰ y el fotón desaparecieron. Y las partículas W y X ahora no tienen masa.
• Los portadores de interacción se han vuelto más fáciles en otro sentido. El fotón afecta a las partículas W ⁺ y W ^- directamente; esto se ve en la fig. 2, donde están conectados por una línea morada. Pero las partículas de X no afectan directamente a las partículas de W. Los gluones se afectan a sí mismos como antes (la línea curva roja; W también se afectan a sí mismos; X no afecta a ningún portador de interacción.
• Para cada partícula de materia (excepto los neutrinos) ahora hay dos partículas con el mismo nombre. Pero difieren, tanto como Arnold Palmer y Arnold Schwarzenegger. Los físicos han ideado varios sistemas de nombres para ellos, pero el quark superior con cualquier nombre tendrá el mismo "sabor", por lo que marqué la diferencia entre ellos girando las letras hacia la derecha o hacia la izquierda. Podemos llamarlos arriba a la izquierda y arriba a la derecha.
• Todas las partículas izquierdas vienen en pares, un par para cada generación, y están sujetas a la influencia de la interacción isospin. El electrón corresponde a neutrino-e (neutrino electrónico), el quark superior - el quark inferior, etc.
• Las partículas de la derecha están solas, una para cada generación, y el isospin no las afecta.
• Solo quedó Neutrino.
• En la fig. 2 Noté neutrino-1, neutrino-2 y neutrino-3, pero en la fig. 3 Uso los nombres electron electron neutrino, muon neutrino y tau neutrino. Esta sutileza puede ignorarse si no está interesado en el tema en profundidad. De lo contrario, puede leer un artículo sobre los tipos de neutrinos y sus oscilaciones.
• Todas las partículas representadas serán sin masa, ¡excepto las partículas de Higgs, que serán hasta cuatro! (Y este es el mínimo: en el Modelo estándar, donde se usa la versión más simple de los campos de Higgs, hay cuatro de ellos, pero en principio, todo puede ser más complicado).

¿Cómo afecta un campo de Higgs distinto de cero a este mundo más simple y mejor organizado (pero inadecuado para la vida) y lo convierte en nuestro complejo? La cuestión es cómo interactúa el campo de Higgs con los portadores de interacciones de isospin e hipercarga, y con partículas de materia. Cómo funciona esto, por ejemplo, con el quark superior, se muestra en la Fig. 4 y 5. El quark superior izquierdo y el quark superior derecho interactúan entre sí mediante una interacción fuerte y la partícula de Higgs, pero no con otras partículas de materia. En particular, si el quark superior izquierdo se encuentra con la partícula de Higgs, es probable que se convierta en el superior derecho. Tan pronto como el campo de Higgs se vuelva distinto de cero, esta interacción conducirá al hecho de que dos versiones de los quarks superiores sin masa se convierten en uno superior masivo, que al mismo tiempo tiene una gran masa.


Fig. 4 4

La conexión de la parte superior izquierda con la superior derecha no debe confundirse con la unión de dos partículas en un objeto compuesto, como un protón y un electrón, conectados entre sí por la fuerza electromagnética y formando un átomo de hidrógeno. Este es otro tipo de combinación en la que dos partículas elementales se mezclan en una partícula elemental.


Fig. 5 5

Como funciona En la fig. 5 muestra este diagrama. Cuando el campo de Higgs es cero, la partícula superior izquierda se moverá a la velocidad de la luz, así como la superior derecha. Pero cuando el campo no es igual a cero, su presencia y el hecho de que interactúa con las partículas superior izquierda y superior derecha harán que la partícula superior izquierda se convierta en la superior derecha, y viceversa. ¿Con qué frecuencia sucederá esto? Alrededor de 100 billones de billones (100,000,000,000,000,000,000,000,000,000) por segundo. Este proceso de transformación hace imposible considerar las partículas superior izquierda y superior derecha como entidades separadas, ya que están inextricablemente unidas; si tienes uno, pronto aparecerá otro. No tendrá ambos al mismo tiempo, por qué el quark superior sigue siendo una partícula elemental en lugar de una compuesta. Juntos, esta mezcla de dos partículas puede llamarse el quark superior. Y el campo de Higgs que no es cero, cuya presencia lo hace saltar entre los estados superior izquierdo y superior derecho, también proporciona a esta estructura energía interna, que está disponible incluso en reposo. Esta energía es indistinguible de la energía de masa (E = mc ² ); En los experimentos, ella se comporta exactamente de la misma manera. En otras palabras, lo que llamamos la energía de la masa del quark superior es, de hecho, la energía que recibe cuando el campo de Higgs está dentro de un campo distinto de cero. Elimine el campo de Higgs, póngalo a cero, y el quark superior volverá al estado de dos partículas sin masa separadas, la superior izquierda y la superior derecha.

El mismo fenómeno da masa al electrón, pero la interacción de los electrones izquierdo y derecho con el campo de Higgs es muy débil, por lo tanto, en presencia de un campo de Higgs distinto de cero, el electrón tiene una masa, pero relativamente pequeña. La frecuencia de conmutación entre los electrones izquierdo y derecho es 0.000003 de la frecuencia de conmutación entre los quarks superior izquierdo y superior derecho, por lo tanto (se aplican algunas matemáticas) obtenemos que la masa de electrones es 0.000003 de la masa del quark superior.


Fig. 6 6

Todos los demás quarks y leptones cargados reciben sus masas de manera similar. Cuanto más fuerte sea la interacción de los objetos izquierdo y derecho con Higgs, mayor será la masa resultante del objeto mezclado con un campo de Higgs distinto de cero.

¿Qué pasa con los portadores de interacción? Higgs no afecta a los gluones, pero mezcla isospin e hipercarga, creando un fotón a partir de una mezcla de W ³ y X, Z ⁰ de otra mezcla de W ³ y X, y una partícula de Higgs llamada A ⁰ , y también W ⁺ y W a partir de mezclas de W ¹ , W ² , H ⁺ y H ^- . Este proceso, llamado mecanismo de Higgs, hace que W ⁺ , W ^- y Z ^{0 sean} masivos, dejando al fotón sin masa.

Sí, por eso el mundo con un campo de Higgs distinto de cero permanece con una partícula de Higgs (h), mientras que el mundo con un campo de cero tiene 4 partículas: H ⁺ , H ^- , A ⁰ y H ⁰ . Al igual que los quarks superior izquierdo y superior derecho se mezclan para formar uno superior masivo, tres partículas adicionales de Higgs se mezclan con tres mezclas de partículas sin masa W y X, formando Z ⁰ , W ⁺ y W masivos.


Fig. 7 7

La interacción, cuyo portador tiene masa, a largas distancias es ineficaz, por lo que las fuerzas nucleares nos parecen muy débiles. Si el campo de Higgs fuera cero, la isospin y la hipercarga serían igualmente fuertes. En cambio, en nuestro mundo hay una fuerte interacción electromagnética con un fotón sin masa como portador, y una interacción nuclear débil, tan débil que casi no tiene efecto en nuestra vida cotidiana, aunque, sin embargo, ¡es necesaria para el funcionamiento de las cámaras de fuego estelares, incluida la solar!

La razón por la que el mundo parece tan complejo, porque existen todas estas partículas con masas muy diferentes, se debe en parte al hecho de que el campo de Higgs y la partícula de Higgs interactúan con diferentes partículas de materia con fuerzas muy diferentes. Entonces, el problema de las diversas masas de partículas es en realidad un problema de diferentes fuerzas de interacción con el campo / partícula de Higgs. ¿Por qué son estas interacciones tan diferentes? No hay consenso sobre la respuesta a esta pregunta (los expertos en física de partículas lo llaman el "problema del aroma" - hablando de los aromas de quarks y electrones, muones y leptones cargados con tau con diferentes aromas). Esperamos que el LHC nos brinde algunas respuestas, pero no hay garantías para esto.

Todavía hay una pregunta: ¿cómo obtienen masa los neutrinos? La respuesta es que no lo sabemos con certeza. Una de las posibilidades, la existencia de neutrinos diestros en la naturaleza, es muy difícil de encontrar experimentalmente, ya que no se ve afectada por ninguna de las tres interacciones que se muestran en la Fig. 2 y 3, y el mecanismo de adquisición de la masa de neutrinos es el mismo que el de otras partículas. La segunda posibilidad es que los neutrinos zurdos reciban masa de la interacción indirecta con una partícula de Higgs, que no funciona con otras partículas. Muchos de mis colegas se inclinan por la segunda opción, ya que naturalmente explicaría por qué los neutrinos son mucho más ligeros que los quarks y los leptones cargados. Pero esta es una larga historia.

Terminaré en un punto importante. Muchas personas, al haberse familiarizado por primera vez con la historia del campo de Higgs, sugieren que de alguna manera debería estar relacionado con la gravedad, que también interactúa mejor con las partículas más pesadas que con las menos pesadas. La gravedad atrae a los quarks superiores con más fuerza que los electrones, como las fuerzas de Higgs. Pero los físicos experimentados rechazan tal idea. Por qué

La conclusión es que no hay excepciones para la gravedad: la gravedad siempre atrae partículas en proporción a su masa. (En realidad, esto no es del todo cierto: la gravedad atrae partículas proporcionalmente a sus energías. En la vida cotidiana, la energía de cualquier objeto es principalmente la energía de la masa, E = mc ² , por lo que para las personas, piedras y estrellas, la energía y la masa son casi la proporción exacta. ¡Pero la gravedad y la luz se doblan! Si la gravedad atrae solo masa, no atraerá la luz que consiste en fotones sin masa).

Por el contrario, solo las partículas que reciben masa del campo de Higgs tienen una relación entre su masa y la fuerza de interacción con Higgs. En particular, como se puede ver en la Fig. 3 y 7, una partícula de Higgs no recibe toda su masa de un campo de Higgs distinto de cero, y su fuerza de interacción consigo misma no está directamente relacionada con su masa. Hay una correlación, pero no una proporción. Este no es un caso tan raro. En mis otros artículos, verá muchos ejemplos de partículas hipotéticas que obtienen su masa de una manera diferente, por ejemplo, partículas que aparecen en teorías como la supersimetría o mediciones contorneadas adicionales.

Por lo tanto, la conexión entre la gravedad y la energía (y, por lo tanto, la masa en la vida cotidiana) es absoluta, mientras que la conexión entre Higgs y la masa debería existir solo para partículas elementales conocidas, y puede que no sea en otras partículas elementales, que todavía se encuentra, pero tal conexión ya no está confirmada para la partícula de Higgs.

En otras palabras, ¡cualquier coincidencia entre el campo de Higgs y la gravedad será puramente aleatoria!