Si el campo de Higgs da masa a las partículas y está presente en todas partes, ¿por qué hay partículas sin masa?

Desafortunadamente, la explicación pop-sci habitual de que "el campo de Higgs ejerce una fuerza de arrastre sobre las partículas que se mueven a través de él, minando su energía cinética" no es muy precisa. En términos técnicos, la generación de masa para los bosones de norma débiles se debe realmente a la ruptura espontánea de la simetría en el mecanismo de Higgs , y los acoplamientos de Yukawa asociados generan términos de masa para los fermiones del Modelo Estándar (excepto los neutrinos). Además, se debe hacer una distinción importante entre el "bosón de Higgs" y el "campo de Higgs", aunque a menudo se combinan e incluso se fusionan en las descripciones de la ciencia pop.

Intentaré explicar esto de una manera que sea más precisa que la descripción pop-sci sin dejar de ser accesible. El remate es:

Aunque las partículas masivas interactúan continuamente con el bosón de Higgs que está presente en todo el espacio, esto no les da masa. El mecanismo de Higgs les da masa de una vez por todas en la escala de transición electrodébil.

"Rotura de simetría espontánea en la escala de transición electrodébil" significa aproximadamente esto: a energías muy altas, la imagen de la física de partículas y la fenomenología es muy diferente de las energías ordinarias. "Energías muy altas" es completamente equivalente a "distancias muy pequeñas", y llamamos a la energía a la que estamos considerando la teoría "escala de energía".

Si partiendo de energías muy altas, comienzas a disminuir la escala de energía, al llegar a la escala electrodébil a 160 GeV, el campo de Higgs se "condensa". Una analogía casi perfecta para este fenómeno es cómo, a partir de, digamos, 20 °C, puede disminuir la temperatura del agua hasta que de repente se congela en hielo a 0 °C. Ahora 160 GeV corresponde aproximadamente a una temperatura de$1.85\times 10^{15}\ \mathrm K$, que es muy, muy alto, pero aún dentro del dominio del Gran Colisionador de Hadrones. En este punto, y solo en este punto , los campos de norma y los campos de fermiones adquieren un término de masa y, por lo tanto, sus cuantos (los bosones de norma y los fermiones fundamentales) ya no carecen de masa y se vuelven masivos.

A energías por debajo de esta escala, no tienen que interactuar con nada (no hay "fluido de bosón de Higgs" pop-sci-esque) para mantener esta masa. De hecho, las partículas masivas y sin masa son fundamentalmente diferentes en la teoría cuántica de campos, por lo que un tipo de enfoque de interacción "continua" para dar masa a las partículas está condenado desde el principio.

Para asegurarnos de que, por ejemplo, los fotones no ganen masa en este proceso, codificamos la forma exacta en que se produce la ruptura de la simetría en el modelo.

Esta elección de ruptura de simetría no es arbitraria, ni está predicha por la teoría. La idea general de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil es explicar las masas de los$W^\pm$y$Z$bosones de calibre (y fermiones), todo con la suposición subyacente de que el fotón no tiene masa, y esto es lo que ponemos en nuestro modelo a mano. Muy bien podríamos haber construido un modelo similar donde el fotón es masivo, pero no lo hacemos, porque no observamos tal cosa. No es necesario que todo interactúe con todo lo demás: el campo electromagnético también impregna todo el espacio-tiempo, pero no interactúa con partículas sin carga.

Entonces, la verdadera razón por la que el fotón no gana masa por el mecanismo de Higgs es porque no queremos que lo haga, de lo contrario, nuestro modelo sería inexacto.

Sin embargo, si está interesado en profundizar más, aquí están

Los detalles (pero no demasiado técnicos)

Por ahora, concéntrese sólo en la naturaleza de la$W^\pm$,$Z$y$\gamma$(fotón). Ignore los gluones, ya que juegan un papel de mero espectador en la generación masiva: no se ven afectados (decimos que "los$\mathrm{SU}(3)$el grupo de color permanece intacto"). Esto se debe a la naturaleza de la construcción de nuestro modelo: deberíamos poder declarar que ciertas partículas no tienen masa y dictar qué partículas deben interactuar entre sí, siempre que el modelo resultante sea consistente con el teórico estructura.

Desafortunadamente, el modelo más simple que podemos construir para acomodar la naturaleza masiva de los bosones y fermiones de fuerza débil falla de inmediato por una razón sencilla: la existencia de un término de masa viola la simetría de calibre de las fuerzas fundamentales, por lo que nuestra teoría es matemáticamente inconsistente. . El mecanismo de Higgs es el método más simple (y el único viable) para explicar esto, pero curiosamente el fotón no es un mero espectador como los gluones y está presente en el mecanismo.

Antes de la ruptura espontánea de la simetría , es decir, a energías superiores a la escala electrodébil, hay cuatro campos de calibre sin masa que viven en paz, llámelos el$W^1, W^2, W^3$y$B$. En otras palabras, hay cuatro fuerzas de tipo electromagnético por encima de 160 GeV, y asociada a cada una está su propia "carga" que determina la fuerza y ​​la naturaleza de las interacciones, exactamente de la misma manera que el campo fotónico/electromagnético a energías ordinarias se acopla a la carga eléctrica. . Estos campos de calibre coexisten con el campo de Higgs, que, lo que es más importante, tiene una carga distinta de cero en todos estos campos.

En la escala de transición electrodébil, el campo de Higgs sufre una ruptura de simetría espontánea. Decimos que el$\mathrm{SU}(2)_L\times \mathrm U(1)_Y$la simetría se descompone en$\mathrm U(1)_\mathrm{EM}$. Lo que esto significa, aproximadamente, es que los cuatro grados de libertad (DOF) originales del campo de Higgs se dividen en un valor esperado de vacío con 0 DOF, un bosón de Higgs con 1 DOF y 3 " bosones de Goldstone " con 1 DOF cada uno. Esto es más o menos como cómo el agua pierde su libertad para fluir en diferentes direcciones después de la transición de fase, con el DOF "congelándose".

Entonces, ¿por qué no observamos estos bosones de Goldstone como partículas físicas en escalas de energía regulares? Bueno, debido a la naturaleza de la ruptura de la simetría, tres combinaciones lineales de los cuatro campos de calibre originalmente sin masa "comen" un bosón de Goldstone cada uno y se vuelven masivos, formando el$W^+, W^-$y$Z$bosones La combinación lineal final permanece sin masa (no quedan más bosones de Goldstone) y forma el fotón. El resultado es que después de la ruptura espontánea de la simetría, ahora hay 3 bosones de calibre masivos, 1 bosón sin masa (que es distinto de cada uno de los campos de calibre sin masa anteriores) y un bosón de Higgs, un "remanente" de la ruptura de simetría.

Para enfatizar nuevamente, esta generación masiva ocurre exactamente en un punto: la escala de transición electrodébil. No es un proceso en el que una partícula sin masa tenga que "bombardear" continuamente contra el bosón de Higgs para ganar masa o algo por el estilo.

Entonces, si esta "generación en masa" supuestamente ocurre a una sola escala, ¿por qué procesos como la producción de pares pueden tener lugar a cualquier energía? Es porque estos son dos fenómenos completamente distintos. En el mecanismo de Higgs, estamos alterando fundamentalmente el contenido de partículas de la teoría. Por encima de la escala electrodébil, simplemente no hay partículas fundamentales masivas, y por debajo, las hay. La producción de pares de masa, por otro lado, es simplemente una consecuencia de la equivalencia masa-energía de la relatividad especial. Si existieran partículas masivas por encima de la escala electrodébil, entonces la producción de pares también sería posible allí; son procesos no relacionados.

"La generación de masa ocurre a una sola escala" no debe interpretarse como "toda la masa se crea para siempre, y ningún mecanismo como la creación y aniquilación de pares puede cambiar esto". Significa que los cuantos de los campos fundamentales posteriores a la SSB ahora tienen una masa, mientras que los cuantos de los campos anteriores a la SSB no la tenían. Estas son declaraciones muy distintas.

Se ve que mientras solo los campos masivos terminan interactuando con el bosón de Higgs residual post-SSB, estas interacciones no juegan ningún papel en la generación de masas. Sin embargo, la existencia del bosón de Higgs sirve como una verificación importante del mecanismo de Higgs.

Por supuesto, no hay razones a priori para que los fotones y los gluones deban ser bosones de calibre sin masa (a energías ordinarias); estos se validan experimentalmente a través de la naturaleza de las fuerzas que producen. Es decir, la naturaleza sin masa de los fotones hace predicciones precisas de la fuerza electromagnética similar a la de Coulomb resultante que observamos en la naturaleza. De hecho, no hay una confirmación experimental del 100% de la falta de masa del fotón: solo podemos imponer límites de masa superiores cada vez más estrictos, como se menciona aquí . El modelo sin masa para gluones hace predicciones igualmente precisas, aunque la sutileza de las teorías de calibre no abelianas significa que la fuerza mediada no se manifiesta como una fuerza similar a la de Coulomb.

La razón por la que los fotones y los gluones no tienen masa es que el campo de Higgs no lleva el tipo de carga responsable de sus interacciones correspondientes.

• los gluones median la interacción fuerte
• los fotones median la interacción electromagnética

El campo de Higgs no tiene carga de color ni carga eléctrica.

La razón por la que algunas partículas de materia no tienen masa tiene que ver con la forma en que funciona esta interacción (partícula de materia - campo de Higgs). Sin entrar en tecnicismos, la interacción entre la partícula de materia y el campo de Higgs puede dar lugar a un término de masa (distinto de cero) solo si la partícula de materia tiene componentes tanto a la izquierda como a la derecha. Los neutrinos, por ejemplo, son solo zurdos, los neutrinos diestros no se han observado experimentalmente (todavía), por lo que creemos que obtienen su masa a través de otro mecanismo (diferente al mecanismo de Higgs).

El campo, el bosón y el mecanismo de Higgs no actúan como resistencia. Ese artículo está terriblemente equivocado. Es como decir, un prisma divide la luz blanca en colores porque cuando haces vidrio en forma de prisma resiste algunos colores más que otros. no lo hace

Como he comentado, Wikipedia tiene una muy buena explicación . Prueba eso primero.

En la física de partículas, tal como la entendemos actualmente, las partículas no tienen masa automáticamente. Tienen que obtenerlo de alguna parte, de alguna interacción u otra. Sin eso, no tendrían masa. Vemos que algunas partículas adquieren masa (o la han adquirido) y otras no. Entonces, una gran pregunta en las décadas de 1950 y 1960 fue: "¿ Por qué lo hacen? ¿Qué decide qué partículas ganan masa y cuáles no? ¿Cómo sucede?"

La versión corta es que el campo de Higgs existe en todo el espacio. Es responsable de la adquisición de masa que le sucede a muchas partículas. (Algunas partículas ganan masa a través de otras interacciones, por lo que no es la única forma en que esto puede suceder). Es un campo muy inusual, todavía no conocemos otro igual. Interactúa con los otros campos cuánticos que son responsables de la mayoría de las fuerzas y partículas que vemos a nuestro alrededor, y cambia algunas de ellas de manera bastante significativa. Una forma en que puede interactuar y cambiar otros campos y sus partículas se denomina mecanismo de Higgs , y es el mecanismo de Higgs el que da como resultado la masa. Una de las formas en que podemos detectar un campo de Higgs y probar que está ahí fuera son sus "excitaciones",.

Demos un paso atrás, para ver cómo funciona.

Si piensas en, digamos, el campo electromagnético, algunas partículas (partículas cargadas) responden e interactúan con él. Algunos no (partículas sin carga). Pero, ¿cómo sabemos qué es una partícula cargada o no cargada? Solo porque observamos si interactúan con un campo electromagnético en primer lugar . ¡No hay otra forma de saberlo! Eso es lo que nos dice lo que se cobra y lo que no.

Entonces, si disparas un electrón y un neutrón más allá de un imán, el electrón cambiará su dirección/comportamiento porque interactúa con el campo electromagnético del imán. El neutrón continuará sin siquiera darse cuenta de que hay un imán allí. El campo electromagnético no "resistió" al electrón. Simplemente interactúa con esa partícula y cambia la forma en que actúa, y no interactúa con el neutrón. Y así es como la carga y el campo electromagnético crean una fuerza.

Cuando pones metal cerca de un imán, parte del metal se magnetiza. Algunos no. Por ejemplo, una barra de hierro cerca de un imán comenzará a atraer limaduras de hierro. Una barra de cobre cerca de un imán, no lo hará. Entonces, un campo también puede cambiar la forma en que otras cosas interactúan con otros objetos, no solo cómo se mueven.

Si fuera una limadura de hierro, podría pensar que el campo magnético ha "cambiado" la barra de metal de "ignorar las limaduras de hierro" a "tirar de ellas", para algunos metales pero no para todos. Así es como las partículas "ven" el campo de Higgs: cambia algunas partículas de sin masa a con masa (si el mecanismo de Higgs es parte de esa interacción y tiene ese efecto), y no cambia otras partículas.

El campo de Higgs da masa a algunas partículas, algo así como esta analogía.

• Algunas partículas interactúan con el campo de Higgs . Como el electrón en un campo electromagnético, cambian de comportamiento debido a esa interacción. Un cambio que algunas partículas pueden experimentar es que obtienen una propiedad llamada masa (o ganan más masa), que luego da forma al espacio-tiempo y responde a algunas interacciones. Llamamos a esta propiedad que han ganado, "masa", y hay fórmulas. que expresan cómo se comportan las partículas y los objetos con masa.
• Algunas partículas no interactúan en absoluto con el campo de Higgs (o interactúan sin que ocurra el mecanismo de Higgs) . Así que no les afecta en absoluto. No ganan masa con eso. Entonces, como el neutrón en un campo electromagnético, se comportan como si se estuvieran comportando de todos modos, si obtuvieron masa de otra cosa o si no tienen masa.

Pero el campo de Higgs está en todas partes . Entonces, en todo el universo, hasta donde podemos decir, ciertas partículas tienen masa. Otros no. La teoría cuántica de campos, llamada Modelo Estándar, nos ayuda a determinar qué partículas interactuarán y cuáles no. Por ejemplo:

• Bosones W y Z : sí, interactúan con el campo de Higgs y, como resultado, su comportamiento y propiedades cambian (a través del mecanismo de Higgs, directamente). Obtiene masa.
• Quarks y algunos tipos de leptones : sí, interactúan con el campo de Higgs y, como resultado, sus comportamientos y propiedades cambian (a través de un tipo diferente de interacción llamado acoplamiento Yukawa, que es posible gracias al mecanismo de Higgs). Obtiene masa.
• El fotón y algunas o todas las partículas sin masa (no estoy muy seguro de cuáles) : no, no interactúan con el campo de Higgs de una manera que haga que el mecanismo de Higgs les dé masa. Permanece sin masa como "antes" (o como si no hubiera un campo de Higgs).
• Algunas partículas compuestas, como los protones y los neutrones , interactúan con el campo de Higgs y obtienen parte de su masa de esa manera, pero algo así como el 99% de su masa se adquiere de otras formas, a partir de la energía de los quarks, gluones e interacciones fuertes. que los unen.

Y eso es en resumen, cómo funciona realmente .

(Ignorando algunos puntos avanzados cubiertos en el artículo que vinculé, como campos taquiónicos/ruptura de simetría, acoplamientos de Yukawa, etc., que no son necesarios para una comprensión básica. También me disculpo por la redacción descuidada y los atajos y las inexactitudes resultantes, soy consciente esto no es técnicamente preciso. ¡Pero al menos es comprensible para un profano!)

Actualización técnica

Técnicamente, en el modelo estándar, la masa requiere que las fórmulas para el comportamiento de un campo cuántico (o de una partícula) incluyan los términos correspondientes de la izquierda y la derecha. Entonces las partículas con tales términos, tendrán la propiedad que llamamos "masa". Los llamamos "términos de masa", porque una partícula con tales términos en su fórmula exhibirá la propiedad que llamamos "masa". La expresión "quiral" o "quiralidad" que puede ver utilizada, se refiere a esta "diestro o zurdo".

Inicialmente y de forma aislada, ningún campo cuántico y ninguna de sus partículas relacionadas tienen fórmulas con tales términos, por lo que esperamos que ninguna partícula comience con ninguna masa. Pero si un campo cuántico interactúa con un campo diferente, estas fórmulas pueden cambiar y, posiblemente, las partículas que existen debido a ese campo podrían terminar con esos términos de masa en su fórmula modificada, incluso si no estaban allí originalmente. Así es como es posible que en algunos casos una partícula no tenga masa y luego, después de interactuar con el campo de Higgs, gane masa. Pero se cree que el cambio solo ocurre por debajo de una temperatura extrema (alrededor de 10 ¹⁵K, o alrededor de 160 GeV), por lo que las partículas afectadas cambiaron repentinamente de sin masa a tener una masa, una vez que el Universo se enfrió hasta eso, después del Big Bang. Esa es también la razón por la cual el campo de Higgs es tan inusual (o lo era cuando se sugirió por primera vez) y tan importante de entender, porque puede tener ese efecto preciso.