¿Por qué necesitamos "crear nuestro propio" bosón de Higgs para poder ver uno?

Entiendo que el LHC encontró el bosón de Higgs bombeando tanta energía en un espacio diminuto (a través de colisiones protón-protón a una velocidad cercana a la de la luz) que un bosón de Higgs apareció momentáneamente y luego se desintegró instantáneamente. Detectaron los productos de la descomposición y dedujeron que allí debía haber un bosón de Higgs. Está bien. Lo que no entiendo es:

1) ¿No está el universo lleno de bosones de Higgs, formando el campo de Higgs? Si es así, ¿por qué tenemos que hacer uno nosotros mismos? ¿Por qué no podemos detectar los que ya están ahí, como podemos hacerlo con otros bosones como los fotones?

2) Cuando hemos hecho nuestro bosón de pura energía, ¿por qué se descompone instantáneamente en otras partículas?

3) ¿Se descompone directamente en otras partículas, o es más bien que simplemente se convierte de nuevo en energía pura, y luego esa energía produce otras partículas menos masivas?

Imagina 2 ballenas azules de sexos opuestos apareándose en el océano y solo queremos detectar el océano, de alguna manera, si el mecanismo (evolución) es lo suficientemente intenso, ¡podemos notar las salpicaduras! 😀
"cerca de la velocidad de la luz" no significa nada. Los protones de 7 GeV se mueven casi a la velocidad de la luz. Los protones de 7 MeV (una millonésima parte de la energía de los protones en el LHC) se mueven casi a la velocidad de la luz. Los físicos han estado construyendo máquinas para acelerar partículas cargadas a "casi la velocidad de la luz" desde el día en que solíamos llamarlos "destructores de átomos".
La definición de lo que significa "cerca de la velocidad de la luz" aquí no es realmente relevante para la pregunta, si le molesta, puede ignorar la parte entre paréntesis. Supongo que solo estaba resaltando el hecho de que es una colisión de alta energía, pero nuevamente podríamos decir que "alta energía" no tiene sentido ya que de todos modos es relativo. Sin embargo, habría pensado que un protón de 7 Mev tiene una milésima parte de la energía de un protón de 7 Gev, en lugar de una millonésima. (7x10e9 frente a 7x10e6)
Ojalá hubiéramos podido ir a la tienda Higgs Boson y ahorrarnos $13 mil millones en un acelerador de partículas :)
@corsiKa ¿Has visto los precios que cobra la tienda Higgs Boson? ¡Es más barato hacer uno propio y ayuda a desafiar su monopolio!
¿Quizás @jameslarge estaba usando el tamaño anterior para G = mil millones = 10e12? Este comentario es irónico.
@jameslarge No hace mucho estaba leyendo una publicación de blog que mencionaba los aceleradores de partículas de escritorio, con un hipervínculo. Condujo a Amazon, específicamente, a los monitores CRT.

Respuestas (3)

¿No está el universo lleno de bosones de Higgs, formando el campo de Higgs?

No. En física de partículas, se entiende que el objeto subyacente (más fundamental) es el campo, no las partículas. Las partículas son excitaciones de los campos que se pueden medir y siempre tienen ciertas propiedades como carga, masa, espín, etc. El campo con el que está más familiarizado es el campo electromagnético, siendo sus excitaciones los fotones. En otro campo las excitaciones son electrones, en otro todavía hay gluones, etc.

Y existe un campo de Higgs, cuyas excitaciones son los bosones de Higgs. El campo de Higgs, en contraste con el campo electromagnético, tiene un valor distinto de cero incluso si no hay bosones de Higgs allí.
Para tener una analogía en mente, piense en una habitación llena de aire. Cuando hablo, hay ondas sonoras que se mueven por el aire. El aire es el campo de Higgs, las ondas sonoras son los bosones de Higgs.

¿Por qué no podemos detectar los que ya están ahí, como podemos hacerlo con otros bosones como los fotones?

Los bosones de Higgs son muy masivos, como partículas, por lo que requieren mucha energía para crearse en las colisiones. Además, tienen una serie de vías de descomposición, por lo que cuando se crean, se descomponen rápidamente. Entonces, incluso si los bosones de Higgs se crean todo el tiempo en la atmósfera, o en supernovas u otros eventos, son raros y difíciles de detectar. Es por eso que configuramos un experimento que puede reproducir millones de colisiones por segundo para acumular suficientes datos.

Cuando hemos hecho nuestro bosón de pura energía, ¿por qué se descompone instantáneamente en otras partículas?

Esto es un poco equivocado. No hay un significado claro de energía "pura". La energía es una cantidad que se asigna a varios fenómenos, pero que es común e intercambiable entre todos ellos. Hablamos de energía cinética, energía potencial, masa-energía, etc. pero ninguna de estas formas es "más pura" en ningún sentido específico. En las colisiones de partículas, la energía cinética y de masa en reposo de los protones se concentra en una pequeña parte del espacio-tiempo, y puede redistribuirse en la energía cinética, potencial y de masa de otras partículas.

Una vez que se forma una partícula, en realidad no importa de qué manera se haya formado. Al igual que un núcleo radiactivo tiene la misma probabilidad de desintegrarse en el próximo 10 minutos, independientemente de cuánto tiempo haya sobrevivido hasta ahora, un bosón de Higgs se desintegrará con cierta probabilidad en las partículas en las que puede descomponerse.

¿Se descompone realmente directamente en otras partículas, o es más bien que simplemente se convierte de nuevo en energía pura, y luego esa energía produce otras partículas menos masivas?

Aquí terminamos un poco en metafísica. Tendrás diferentes respuestas dependiendo de la interpretación de QM que elijas. Todo lo que observamos son los protones que van en la colisión y la lluvia de partículas que sale después de la colisión, junto con su energía. Eso es todo. La teoría cuántica le dará las estadísticas de estas observaciones, pero no lo que sucede entre las dos observaciones; eso es (por ahora) metafísica, porque es inobservable.

Estrictamente hablando, no se ha observado ningún bosón de Higgs, en el sentido de que ningún bosón de Higgs ha colisionado con los detectores. Hemos calculado cómo la existencia del campo de Higgs afectará las mediciones, descubrimos que las afectaría de una manera particular, hicimos los experimentos y, de hecho, encontramos esa firma. Los experimentos y la teoría coinciden tan bien que es inevitable que exista un campo de Higgs, aunque no hayamos "visto" (con nuestros ojos) ningún bosón de Higgs.

Hablar sobre la forma exacta en que una partícula surge y se desintegra está un poco más allá de la física actual (también vale la pena explorarlo en otras preguntas).

Gran respuesta, gracias Andrea. Sin embargo, todavía hay una cosa que no me queda clara: cuando dices "Entonces, incluso si los bosones de Higgs se crean todo el tiempo en la atmósfera, o en supernovas u otros eventos, son difíciles de detectar" . implica que los únicos bosones de Higgs que nos rodean son los creados en colisiones de alta energía. Pero, seguramente, hay una gran cantidad de ellos a nuestro alrededor, todo el tiempo, dando masa a las partículas. ¿Por qué no podemos detectarlos? Para usar su analogía de onda de sonido, si configuro un micrófono, puedo escuchar muchos sonidos que ya están presentes en el entorno.
En realidad, lo que le está dando masa a las demás partículas es el campo de Higgs, no las partículas. A nuestras temperaturas y densidad, simplemente no hay tantas partículas de Higgs volando en nuestra atmósfera.
Para llevar la analogía más allá (quizás un poco demasiado), el campo de Higgs da masa a las otras partículas sin crear bosones de Higgs, al igual que el aire da fricción a un objeto que cae sin crear necesariamente sonido.
Por supuesto, en el caso clásico, siempre habrá algún sonido creado por los objetos que se mueven en una habitación. Pero en el caso de los campos cuánticos, se requiere una energía mínima para producir una perturbación en el campo.
Ah, creo que tengo un malentendido básico entonces: pensé que debido a que el campo de Higgs está en todas partes, los bosones de Higgs también estarían en todas partes, de manera similar a la forma en que siempre hay fotones volando a través de cualquier parte del espacio.
No estoy calificado para evaluar la corrección técnica de esta respuesta, pero si es correcta, es una de las explicaciones más claras de los experimentos con el bosón de Higgs que he leído.
Sí, ese es el quid. El campo de Higgs es distinto de cero en todas partes, pero es difícil excitar un bosón, por lo que no hay muchos (es decir, básicamente 0 ) Bosones de Higgs volando. El campo de Higgs es especial en ese sentido. Los fotones no tienen masa, por lo que no se crea energía mínima, por lo que hay muchos a su alrededor: el campo EM es fácilmente excitable. Un ejemplo intermedio es el campo de electrones. Se necesita una cantidad mínima de energía para excitar un electrón fuera del campo de electrones. @MaxWilliams
¿Llamar "metafísica" a lo que sucede entre las observaciones es un término bien aceptado? Me gusta la forma en que encaja con otros usos de la palabra, pero si trato de usarlo de esa manera en un grupo civilizado de físicos, ¿se me mostrará la puerta para atreverme a usar "metafísica" para hablar de QM en su presencia?
"El campo de Higgs, en contraste con el campo electromagnético, tiene un valor distinto de cero incluso si no hay bosones de Higgs allí". - ¿Qué valor es distinto de cero, en contraste con el campo EM?
@CortAmmon: Supongo que siempre puedes cubrirte diciendo "metafísica, en el sentido de Aristóteles". La multitud de físicos enfurecidos podría soltarte en ese momento. Pero en serio, los físicos investigadores que he conocido están perfectamente contentos con la idea de que las ideas de "realidad más allá de las observaciones predichas por el modelo y medidas en los experimentos" son muy resbaladizas y merecen un tratamiento aparte.
@SteveJessop es un asunto complicado. El legado de Bohr es que solo podemos hablar de los resultados de los experimentos como reales, todo lo demás está más allá del conocimiento y la realidad. Sin embargo, incluso las personas que aceptan la interpretación de Copenhague a menudo hablan de lo que hace la partícula entre experimentos, diciendo que "está" en una "superposición de estados", sea lo que sea que eso signifique. En QM, una combinación lineal de estados es otro estado por derecho propio. |+x> = |+z> + |-z> y así sucesivamente. Las imágenes mentales, incluso las que contrastan, son útiles en la medida en que guían nuestra intuición, teorizando, como diría Feynman.
@BЈовић es difícil de comparar con el campo EM, porque el campo EM tiene una naturaleza vectorial (en realidad, tensor EM, que contiene contribuciones eléctricas y magnéticas), pero el campo de Higgs es un escalar. Entonces, en este sentido, es más comparable al sonido (siempre "presión" distinta de cero, pero puede o no contener ondas, excitaciones, dependiendo de la energía disponible). El campo EM distinto de cero rompería la simetría del espacio: elegiría espontáneamente una dirección. Esto no sucede en el vacío para el campo EM, pero sí en los ferromagnetos: en el estado fundamental, la magnetización es distinta de cero y apunta a alguna parte.

Anuncio 1) Sí y no. Ciertamente hay bosones de Higgs en el Universo. Todo lo que podemos crear en el LHC también se crea en otros eventos. Los rayos cósmicos pueden tener más energía que el haz del LHC, por lo que seguramente habrá bosones de Higgs, solo como ejemplo. El problema es colocar un detector tan sofisticado, además de que realmente no tienes el experimento completamente bajo control.

Su segunda suposición es incorrecta, por lo tanto, escribí sí y no. El bosón de Higgs es una excitación del campo de Higgs, pero el campo mismo es lo "fundamental", por así decirlo. No está "hecho de bosones de Higgs".

Anuncio 2) En física de partículas hay un dicho: "Si se le permite decaer, lo hará". Si no está prohibido, ocurrirá una decadencia. Como regla general, es más probable que una partícula se desintegre si hay más opciones. Por permitido quiero decir que todas las reglas de conservación deben ser obedecidas.

3) ¿A qué te refieres con energía pura? La energía tiene que estar ahí de alguna manera, pero sí, se descompone directamente en otras partículas que se descomponen aún más y así sucesivamente. La energía que ponemos allí en primer lugar se almacena como energía cinética y de masa en los protones. Las partículas se descomponen directamente en otras partículas siempre que se obedezcan todas las leyes de conservación durante la descomposición.

Gracias @Noldig. Re pregunta 1: si lo reformulé para decir "lleno de bosones de Higgs, resultantes del campo de Higgs" en lugar de "lleno de bosones de Higgs, que forman el campo de Higgs", entonces la pregunta aún se aplica: ¿por qué no podemos ver el bosones de Higgs "naturales"?
@MaxWilliams Tal vez le ayude a pensar en términos de campos, que el campo de gluones también está en todos los puntos del espacio-tiempo, PERO la probabilidad de ver un gluón existe solo dentro de los hadrones. El valor esperado del campo de gluones, el campo de fotones, el campo de neutrinos, etc. (toda la tabla de partículas elementales excepto el Higgs) es cero. El valor esperado del campo de Higgs es distinto de cero debido a que se rompe la simetría y se da masa a las partículas elementales, incluido el bosón de Higgs.
@annav Pregunta sincera: ¿el hecho de que "el valor esperado de un campo sea distinto de cero" implica "la probabilidad de observar sus excitaciones es distinta de cero"?
@AndreaDiBiagio No, es solo lo que distingue al campo de Higgs del resto. Debería haber aclarado que los valores esperados del resto de los campos de partículas se vuelven distintos de cero donde existe una partícula. Desde el punto de vista de mi experimentador, el campo de Higgs es lo que, en confluencia con el campo de electrones, por ejemplo, da la masa del electrón a la excitación del campo de electrones, lo que significa que existe un electrón de masa m_e en ese (x ,y,z,t).

Otro factor aquí:

Construimos estos enormes colisionadores de átomos porque queremos ver cosas que normalmente están selladas dentro de partículas más grandes. La energía es para romper la caja en la que están.

Consideraría esto como al menos muy engañoso. Por ejemplo, en un colisionador de electrones se ven muchas partículas después de la colisión. aunque consideramos que el electrón es una partícula fundamental. Además, los protones utilizados en el LHC no están hechos de piones, bosones de Higgs, fotones y todo tipo de partículas que observamos.
¿Por qué necesitamos "crear nuestro propio" bosón de Higgs para poder ver uno?
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