¿Qué es esto bosón de Higgs de todos modos? Recientemente, ha habido un montón de hablar sobre el bosón de Higgs . Hace un mes, los dos equipos de la CMS y ATLAS en experimentos del LHC han anunciado de forma independiente el descubrimiento de un bosón hasta ahora desconocido de masas entre 125-127 GeV / c 2 . Las características de esta nueva partícula son whith coherente las del bosón de Higgs. Sin entrar en demasiados detalles y tecnicismos, vamos a ver lo que esta partícula es, lo siguen siendo preguntas abiertas. Pero, antes que eso, habremos hacer una pequeña visita a lo que se llama el Modelo Estándar de la Física de Partículas. Si usted ya conoce los conceptos de fermiones, los bosones y los otros campos de norma, no dude en saltarse estos párrafos. Los fermiones La física de partículas distingue dos clases de partículas, de acuerdo con una propiedad cuántica llamada espín . La primera clase, llamada fermiones , se compone de partículas de spin semi-entero. Ellos fueron nombrados después de que el famoso físico de origen italiano Enrico Fermi . De la mecánica estadística punto de vista, obedecen Fermi-Dirac estadísticas. Las partículas elementales, tales como electrones , muones , neutrinos o quarks , se caracterizan por una 1/2 vuelta. Fermiones compuestos, tales como los protones , neutrones , o cualquier bariones (tríos de quarks) o núcleo pueden llevar a cualquier giro de medio entero (1/2, 3/2, 5/2, ...). Las partículas con spin semi-entero están sujetos al principio de exclusión de Pauli : no hay dos fermiones idénticos pueden ocupar el mismo estado cuántico al mismo tiempo. Los bosones La segunda clase de partículas, llamadas bosones , se compone de partículas con espín entero. Ellos fueron nombrados en honor al famoso físico indio Satyendra Nath Bose . De la mecánica estadística señalan una vista, obedecen otra estadística, llamada estadística de Bose-Einstein . Los bosones, pueden ser partículas elementales, como los fotones o los gluones . También pueden ser partículas compuestas como mesones (pares quark-antiquark), como el J / psi. A diferencia de los fermiones, los bosones no son sujetos al principio de exclusión de Pauli: dos o más bosones pueden ocupar el mismo estado cuántico. La siguiente imagen se dibuja la diferencia entre los bosones y fermiones: Imagínese dos apparati, uno que contiene un gas de bosones, mientras que el otro contiene un gas de interacción (no) fermiones. A medida que la temperatura desciende cerca del cero absoluto , el gas de bosones colapsa, formando un condensado Bose-Einstein . Los fermiones no pueden alcanzar este estado, ya que no pueden ocupar el mismo estado cuántico. La energía total del gas de Fermi es entonces más grande que la suma de el estado fundamental de una sola partícula. La energía del estado de ocupado más alto cuántica se llama la energía de Fermi . Sencillamente hablando, un nivel más elemental, se puede ver los fermiones como el candidato perfecto para la construcción de bloques de la materia , mientras que los bosones son candidatos para las interacciones . Nota: Obviamente, ello sólo es cierto para partículas no compuestos, ya que los mesones son una forma de materia no bariónica y siguen siendo los bosones. ¿Qué es la materia hecha? En la escala de las partículas elementales, la materia está compuesta de primaria fermiones , a saber, los quarks y los leptones : "Materia de quarks" ( q bar qmesones y q_1 q_2 q_3 bariones) es esencialmente una combinación de quarks. Los siguientes diagramas ilustran estas combinaciones (en este caso, en el caso de los bariones uds): Un núcleo es un combinaciones de nucleones (neutrones y protones), un átomo es una combinación de un núcleo y electrones (leptones), una molécula es un combinaciones de átomos, ... ¿Cómo interactúan estas partículas? En la física de partículas , las interacciones fundamentales son las formas en que las partículas elementales interactúan entre sí. Una interacción es fundamental cuando no se puede describir en términos de otras interacciones. Las cuatro interacciones fundamentales conocidas, son el electromagnetismo , la interacción fuerte ("fuerza nuclear fuerte"), la interacción débil ("fuerza nuclear débil") y la gravitación . Con la notable excepción de la gravedad, todas estas interacciones fundamentales se han expresado de acuerdo a cuánticas de campos formulaciones, a saber: Electrodinámica cuántica (QED o): la formulación cuántica de campos del electromagnetismo, que sirvió de modelo para todas las otras teorías Cromodinámica cuántica (QCD o): la formulación cuántica de campos de las interacciones fuertes (que solía ser mi patio en un pasado remoto) Modelo electrodébil (o GWS): Sheldon Glashow , Steven Weinberg y Abdus Salam han unificado las interacciones débil y el electromagnetismo en una sola, la teoría cuántica unificada, que ahora es la base del modelo estándar de la física de partículas Teorías físicas modernas describen la realidad en términos de campos , por ejemplo, el campo electromagnético , el campo gravitatorio y los campos de otras partículas elementales. Un portador de la fuerza (también llamado bosón de gauge , vamos a eso más adelante) es una partícula bosonic que lleva a cualquiera de las interacciones fundamentales: las partículas elementales interactúan entre sí mediante el intercambio de bosones: Los fotones : fotones son bosones, fuerza portadores de la fuerza electromagnética Los gluones : los 8 gluones son bosones, que actúan como las partículas de intercambio de la fuerza entre los quarks (y, de hecho, entre los gluones, que hace QCD una divertida y complicada teoría) W ^ {+}, W ^ {-}y Z ^ 0bosones : estos bosones mediar la interacción débil ¿Cómo podemos imaginar a estas compañías? Olvidemos por un momento los campos y partículas, e imaginar un par de jugadores de baloncesto (visto desde arriba): En primer lugar, vamos por separado regate. Cada jugador va a seguir su camino, independientemente de la otra. Ellos son "los jugadores no interactúan". Ahora, imagine que el intercambio de una pelota. Ambos jugadores ya seguir el camino correlacionada. Están "interactuando jugadores". A continuación, les dan una bola más pesada. Sus caminos se acercan, ya que el rango de su interacción se hizo más corto: el intercambio de una bola pesada a larga distancia es más difícil que con uno más ligero. Bueno ... eso es todo lo mismo para las partículas. Partícula cargada eléctricamente interactúan entre sí mediante el intercambio de fotones virtuales, quarks ( con carga de color partículas) interactuar entre sí mediante el intercambio de gluones virtuales, etc Cuanto más pesado es el bosón de calibrador, el más corto es el rango de la interacción, ya la inversa. Nota : esto no es cierto para QCD, donde los gluones (que son sin masa y deben tener una gama infinita de interacción) llevan a sí mismos cargas de color que lleva a una propiedad llamada confinamiento del color . En lugar de imágenes de los jugadores de baloncesto, los físicos imaginan estas interacciones con los diagramas de Feynman : Por supuesto, detrás de estos diagramas esconde un pocos cálculos : diagramas de Feynman son representaciones gráficas de una contribución perturbativa a una amplitud de probabilidad de un sistema cuántico dado. Estos pueden dar más dolores de cabeza a los físicos de los juegos de baloncesto, créeme. Modelo y simetrías gauge y estándar Como se ve en el mensaje el relatividad general , existe una fuerte conexión entre las simetrías y leyes de la física. En realidad, las leyes de la física de partículas se pueden escribir únicamente la elección de las leyes matemáticas simples que obedecen simetrías observadas (o cantidades observadas que se conservan). Estos expresión matemática se llama Lagrangianos : función que resume la dinámica de un sistema. Dado un principio variacional y estas Lagrangianos, los físicos son capaces de formular todas las leyes físicas, que se traduce, en términos cuánticos, son amplitudes de probabilidad ... que son más o menos los diagramas de Feynman. Vamos a empezar con la madre de todas las teorías cuánticas de campos: la electrodinámica cuántica (QED). Para formular QED, uno tiene que observar que, durante las interacciones electromagnéticas la carga eléctrica es una cantidad que siempre se conserva. Sabemos, gracias al teorema de Noether , que a una cantidad conservada dada corresponde una simetría dado (ya la inversa). En el caso de la conservación de la carga eléctrica, un simple razonamiento muestra que las leyes tienen que ser globalmente invariante por transformaciones de un grupo de Lie semi-sencilla llamado U (1) . Sin embargo, hay otro invariancia que las leyes de la electrodinámica deben obedecer: la invariancia de Lorentz . En otras palabras: QED es una teoría relativista. Con el fin de Lorentz y U (1) invariante, nuestra formulación tiene que ser invariantes en todas las (1) transformaciones locales U (y no sólo a las transformaciones globales). Una teoría de campos invariantes bajo un grupo continuo de transformaciones locales se denomina teoría de gauge (de ahí el nombre de "gauge boson"). El más simple de Lagrange relativista invariante bajo (1) la transformación local de U puede ser escrito como: Mathcal {L} _ {QED} = i bar { psi} gamma ^ { mu} partial_ { mu} psi - e bar { psi} gamma_ { mu} (A ^ { mu} + B ^ { mu}) psi - m bar { psi} psi - frac {1} {4} F_ { mu nu} F ^ { mu nu} La aplicación de un principio variacional (que conduce a la clásica ecuación de Euler-Lagrange ) da i gamma ^ { mu} partial_ { mu} psi - m psi = e gamma_ { mu} (A ^ { mu} + B ^ { mu}) psi El lado izquierdo es igual que el original ecuación de Dirac y la parte derecha es la interacción con el campo electromagnético. Bingo:) Tenga en cuenta que U (1) tiene un solo generador , que corresponde a la existencia de un solo tipo de (sin masa) de fotones. Esto es tan poderoso, el mismo procedimiento se puede seguir para construir la cromodinámica cuántica: hay simplemente para construir un lagrangiano es invariante Lorentz y local SU (3) invariante (invariante color). QCD Lagrange va como: Mathcal {L} _ {QCD} = bar { psi} _ {i} (i gamma ^ { mu} D_ { mu}) _ {ij} - m delta_ {ij}) {psi_ j} - frac {1} {4} T ^ {a} _ { mu nu} G_ {a} ^ { mu nu} Tenga en cuenta que SU (3) tiene 8 generadores, que corresponden a la existencia de los 8 gluones sin masa. Sus parece que este procedimiento es perfecto para construir teorías de campo con sin masa bosones de norma (si un término de masa se agrega a la función de Lagrange, se pierde la simetría) Y ahora viene el modelo electrodébil, que unificó las fuerzas débiles y electromagnéticas. Matemáticamente hablando, la unificación débil y las interacciones electromagnéticas se lleva a cabo en virtud de un (2) × U (1) grupo de calibre SU. Hay cuatro bosones gauge correspondientes, lo cual es bueno, pero que también son sin masa . Ahora, eso es un problema , porque las interacciones débiles son ... débil. Y esto significa que los bosones gauge débiles tienen que ser muy obesos! Así que, ¿de dónde viene la masa de estos bosones de norma viene? Houston, tenemos un problema. Para construir una teoría del campo local con 3 bosones masivos y una calibre sin masa, tendremos que introducir algo nuevo. Como de costumbre, esto se relaciona con las simetrías. Sin embargo, se puede sentir un poco exagerado. Esta idea es la siguiente: a temperatura lo suficientemente alta, la simetría SU (2) x U (1) está intacto, mientras que a una temperatura crítica, la simetría se rompe espontáneamente gracias a la introducción de un nuevo campo. Esta es audaz: un campo completamente nuevo, nunca se había observado, para dar a la masa para medir los bosones, que, en el momento en que se construyó la teoría, sin embargo, iban a ser descubiertos! Las únicas cosas que estaban seguros es que las interacciones débiles existían y que, puesto que eran tan débiles, que tuvieron que ser transportados por partículas monstruosamente pesado. Nota: bosones W y Z resultaron ser 80 a 90 veces más pesado que un protón ! La ruptura espontánea de simetría y bosones Nambu-Goldstone Vamos a ver cómo la ruptura espontánea de la simetría puede ser un buen mecanismo de generación de masa. En primer lugar, ruptura de simetría a energías más bajas se no es un fenómeno inusual. La congelación del agua en forma de hielo es un buen ejemplo. El agua líquida es bastante simétrico: si nos fijamos en el arreglo de las moléculas individuales de agua, que se ve igual en todas las direcciones. Ahora, cuando el agua se congela, sin embargo, se pierde esta simetría. Se convierte en un cristal de hielo, con moléculas dispuestas en una red regular. Esta disposición es en realidad menos simétrica, ya que tiene simetrías sólo en ciertas direcciones. Ruptura de la simetría espontánea es un modo de realización de la ruptura de la simetría, donde las leyes subyacentes son invariantes bajo una transformación de simetría, pero el sistema en su conjunto, los cambios en tales transformaciones. Es fácil comprender el mecanismo de ruptura espontánea de simetría viendo el pandeo de un clavo de acero. Vamos a crear el clavo verticalmente. El sistema es entonces simétrica con respecto a las rotaciones alrededor del eje de la uña. Ahora, vamos a aplicar una fuerza de compresión vertical en el clavo. Mientras la fuerza de compresión es menor que un valor crítico F_ {crit}, el potencial mínimo de energía es simétrica con respecto a las rotaciones alrededor del eje. Ahora, si esta fuerza supera un valor crítico, las hebillas del clavo y el mínimo de energía potencial ya no es simétrica con respecto a la rotación, mientras que la forma de energía potencial es (y el conjunto de su exposición mínimos de la simetría rotacional inicial): El teorema de Goldstone se aplica a las simetrías continuas genéricos que se rompen espontáneamente. Afirma que aparecen nuevos bosones sin masa: hay una partícula (llamada Nambu - Goldston Higgs) para cada generador de la simetría rota. Luego, en 1964, tres equipos propusieron enfoques relacionados pero diferentes para explicar cómo podría surgir en masa en las teorías de norma local. Estos tres, ahora famosos, documentos fueron escritos por Robert Brout y François Englert , Peter Higgs , y Gerald Guralnik , C. Richard Hagen y Tom Kibble y se acreditan con la predicción del mecanismo de Thea, que proporciona los medios para que los bosones de gauge pueden adquirir masas no nulas en el proceso de ruptura espontánea de la simetría. Demostraron que los bosones de Goldstone no necesitan ocurrir cuando un local de la simetría se rompe espontáneamente en una teoría relativista. En su lugar, el modo de Goldstone proporciona un masivo campo. Ahora, tenemos algo :) Electrodébil teoría y mecanismo de Higgs Steven Weinberg y Abdus Salam propusieron que la masa de los tres portadores de fuerza débiles podría ser el resultado de un proceso similar. Para explicar esto, se invoca el campo adicional propuesto por Peter Higgs, llamado el campo de Higgs. Técnicamente, en el modelo estándar, el campo de Higgs es un SU (2) L doblete, un complejo spinor con cuatro componentes reales: Phi = frac {1} { sqrt {2}} left ( begin {array} {c} phi ^ {+} phi ^ {0} end {array} derecho) El truco es, pues, para añadir una ruptura espontánea de simetría electrodébil al SU (2) × U (1) teoría del calibrador a fin de dar masa a los portadores de la interacción débil, mientras que la preservación de las características sin masa del vehículo interacción electromagnética. Aplicando el teorema de Goldstone a una espontánea roto, SU globalmente invariante (2) x U (1) modelo debe dar a luz a cuatro bosones sin masa. En el caso de una SU espontáneamente rota (2) x U (1) simetría gauge, los bosones de Goldstone son " comidos "por los bosones de norma: después de ruptura de la simetría, los tres de los cuatro componentes de la mezcla con el campo de Higgs W ^ {+}, W ^ {-}y el Z ^ 0 bosón, y sólo son observables como componentes de giro de estos bosones débiles, que ahora son masiva, mientras que el restante un grado de libertad se convierte en .. el bosón de Higgs. Nos deja con la masiva W ^ {+}, W ^ {-}y Z ^ 0 bosones, y un bosón de Higgs. El vehículo interacción electromagnética ( Gamma Higgs) permanece sin masa. Y ... voilà! Podemos pensar en el campo de Higgs como causantes de una colina de la energía potencial. En cada punto en el campo, una partícula tiene una cierta masa. En la parte superior del campo, a altas energías, la masa es cero. Alrededor de la parte inferior de la colina son diferentes masas, distintos de cero: Con el campo de Higgs, las cuatro partículas de fuerza débiles comenzaron con masa cero, a las altas energías del Big Bang, pero esta simetría se rompió al caer la intensidad energética, y tres de las partículas obtenida en masa. ¿Qué pasa con los fermiones? A pesar de la introducción de simetría espontánea-romper los términos de masa de la función de Lagrange sin embargo, se oponen a otra invariancia observado experimentalmente, llamada quiral invariancia (calibre). Una solución fácil para dar masa a los fermiones a introducir algún tipo de Yukawa acoplamiento entre el campo de fermión Psi y el campo de Higgs Phi . En la física de partículas, la interacción de Yukawa (llamado así por el físico japonés Hideki Yukawa ), es una interacción entre un campo escalar Phi y un campo de Dirac Psi de la siguiente forma: Mathcal {L} _ {Yukawa} = G_ { psi} bar { psi} phi psi Inicialmente, la interacción de Yukawa se puede utilizar para describir fenomenológicamente la fuerza nuclear fuerte entre los nucleones, mediadas por piones . Hoy en día, la interacción de Yukawa también se utiliza en el modelo estándar para describir el acoplamiento entre el campo de Higgs campos leptones y quarks y sin masa. A través de la rotura espontánea de la simetría, los fermiones adquieren una masa proporcional al valor esperado de vacío del campo de Higgs. La adición de este acoplamiento Yukawa entre fermiones y el campo de Higgs da un buen mecanismo para dar masa a los fermiones, mientras que preserva la invariancia quiral. ¿Y después? El mecanismo de Higgs que describimos brevemente es el truco más simple que uno puede encontrar para dar masa a los fermiones (tiempo que se preserva la invariancia quiral) y los bosones electro-débiles (conservando un bosón electromagnética sin masa). Esto permite anotar la física en términos de la teoría cuántica de campos gauge invariante relativista (Modelo Estándar aka) ... que es la mejor teoría fundamental que tenemos hasta ahora para describir el universo a escalas pequeñas. Nota: en realidad hay modelos más complejos de Higgs donde existirían varios bosones de Higgs. Pero el físico se inclinan generalmente a las ideas simples ( principio de Occam ). Incluso si se siente un poco ad-hoc, la idea de una ruptura espontánea de la simetría es una muy fructífera. Se introduce el concepto de fase (s) de transición (s): a partir de una "baja temperatura, mundo asimétrico", se puede pensar en una "alta temperatura, universo muy simétrica", donde se unifican todas las fuerzas: Esta es la base de la Teoría de Gran Unificación (GUT) ideas. Pero, lo más fructífera que sean, estas ideas no son suficientes para dar una descripción completa de lo que se observa en el nivel de baja escala (alta energía). Por ejemplo, aunque el mecanismo de Higgs es el mecanismo adecuado para dar masa a las partículas, en sí mismo, le da absolutamente ninguna pista en cuanto a: ¿Qué masa es: todavía no saben realmente lo que es una masa (y yo ni siquiera estoy poniendo en la diferencia entre la masa inercial y gravitacional ...) ¿De dónde proceden los valores de las masas vienen. Incluso con un mecanismo de Higgs, que todavía no sabemos por qué las partículas llevan a las masas que medimos. Aunque el mecanismo de Higgs no se puede saber lo que la masa del bosón de Higgs es. Esa es una de las muchas razones por las que es tan difícil de encontrar. En términos simples, que aun el bosón de Higgs fue visto en el LHC, lo que me haría inmensamente feliz, es signo de una nueva física: nuevos materiales para conseguir nuevas ideas para ir más allá del modelo estándar
Posted on: Mon, 12 Aug 2013 05:24:20 +0000
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