miércoles, 11 de julio de 2012

Por qué el bosón de Higgs es una pieza fundamental en el modelo estándar

Fuente: Francis (th)E mule
Me ha gustado mucho la charla de Alex Pomarol (UAB, Barcelona), “Electroweak Symmetry Breaking (EWSB). Status/Directions,” ICHEP 2012, 9th July, que nos resume lo que supone para los físicos teóricos el descubrimiento del Higgs anunciado el 4 de julio de 2012. Lo primero, euforia. Lo segundo, un gran número de nuevos resultados que hay que digerir. Hay que recordar las palabras de Alex que afirma que en un solo día se ha presentado más información sobre la ruptura de la simetría electrodébil que en los últimos 40 años.
¿Qué hace que el bosón de Higgs sea una partícula especial? No, no es que un editor le pusiera un título llamativo a la biografía del premio Nobel Leon Lederman. Tampoco lo es que encontrar esta partícula nos permita entender la condensación del campo de Higgs que llevó a que las partículas ganaran masa. Incluso en las teorías sin Higgs o con un Higgs compuesto, la condensación del campo de Higgs y el proceso de ruptura espontánea de la simetría se da igualmente y de forma muy similar (pues hay muchas pruebas indirectas de este fenómeno).
Tampoco el Higgs es una partícula especial porque sea una excitación del del campo de Higgs que nos permita explorar sus propiedades, porque en las teorías sin Higgs o con Higgs compuesto también hay excitaciones del vacío que nos permiten explorar el campo.
La razón por la cual el bosón de Higgs es una partícula fundamental en el modelo estándar es que sin esta partícula no se pueden realizar cálculos de precisión, porque hay vértices con grados de libertad longitudinales de los bosones vectoriales débiles que violan la unitariedad (dan probabilidades mayores de la unidad) a alta energía y bucles que conducen a valores infinitos. Sin un mecanismo que compense estos defectos el modelo estándar se hunde en el más profundo de los fangos. Si no existiera el Higgs tendría que existir física más allá del modelo estándar que compense estos defectos que implican el “suicidio” de la teoría.
La existencia del Higgs permite que el modelo estándar vuelva a mostrar una enorme capacidad predictiva, pues los vértices que rompían la unitariedad dejan de hacerlo si hay un bosón de Higgs que medie entre ellos y los bucles con Higgs compensan con su signo a los bucles que daban resultados infinitos. El modelo estándar con un bosón de Higgs recupera todo su poder predictivo y evita su suicidio temprano a baja energía; obviamente, a muy alta energía el modelo estándar puede ser estable, metaestable o incluso inestable en función de la masa que tenga el Higgs (para un valor de 125 GeV todo apunta a que es metaestable hasta la escala de Planck y estable hasta la escala GUT, lo que está muy bien).
Por cierto, para que el modelo estándar sea consistente gracias al bosón de Higgs es necesario que el acoplamiento del Higgs a los bosones W y Z, así como a los fermiones (quarks y leptones) sea exactamente el predicho por la teoría. Si no coinciden con la predicción teórica no estaremos ante el bosón de Higgs sino ante un primo del Higgs (en inglés se suele decir un “impostor”). En el descubrimiento del Higgs publicado el 4 de julio solo se comprobó que el acoplamiento a los fotones y cierto acoplamiento a los bosones Z coinciden (con errores del orden del 10% con las predicciones teóricas), pero falta comprobar muchos otros acomplamientos. Para finales de diciembre de 2012 habrá colisiones suficientes en el LHC para que los análisis verifiquen si los acomplamientos del Higgs a los bosones W, Z y a algunos fermiones coinciden con los esperados y permiten asegurar que se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar. Por cierto, comprobar todos los acoplamientos a todas las partículas del modelo estándar es imposible en el LHC y solo se pueden comprobar algunos, por lo que se requiere un colisionador lineal de leptones para estudiar en completo detalle la física del Higgs.
Obviamente, un bosón de Higgs no es suficiente para salvar al modelo estándar y mantenerlo válido hasta una energía en la escala de Planck, porque el Higgs es una partícula escalar (no lineal) que puede interaccionar consigo misma y es necesario algún mecanismo que controle estas autointeracciones a alta energía, pues lo natural es que aparezcan divergencias. Como siempre para corregirlas lo más fácil es introducir nuevas partículas que las compensen.
La consistencia a alta energía del modelo estándar se puede corregir gracias a la supersimetría, incluso en su versión más sencilla, el modelo supersimétrico mínimo o MSSM, que introduce un segundo doblete en el sector de Higgs, con lo que en lugar de un bosón aparecen cinco. Lo importante es que hay dos bosones escalares neutrinos (h y H) cuyo efecto común compensa las divergencias debidas a la existencia de un solo bosón escalar a alta energía. El modelo MSSM además introduce un bosón pseudoescalar A y dos bosones de Higgs cargados H+ y H-. Por supuesto, además de la supersimetría hay muchas otras soluciones al problema de metaestabilidad del modelo estándar, incluso la posibilidad de que ni siquiera sea un problema tan grave como para que requiera una solución (por ejemplo, algunas propuestas para la gravedad cuántica indican que tiene efectos incluso a una escala de energía tan baja como la escala GUT, donde empezaría a fallar el modelo estándar).
Un bosón de Higgs con una masa de 125 GeV es ideal tanto para los físicos experimentales, como para los físicos fenomenológicos, como incluso para los físicos teóricos. Para los primeros porque permite explorar en los colisionadores casi todos los acoplamientos del Higgs con casi todas las partículas disponibles. Para los segundos porque la auto-interacción del Higgs consigo mismo (mH²= λ v²) nos da un valor de λ≈0,26, suficientemente pequeño como para que la física del Higgs sea fácilmente calculable con gran precisión utilizando la teoría. Y para los últimos porque es una masa compatible con el modelo estándar, con el rango alto de los modelos supersimétricos MSSM y con el rango bajo de los modelos con Higgs compuesto. Por tanto, todos los físicos teóricos estarán contentos porque su trabajo no tendrá que ser tirado a la basura (por ahora).
Por supuesto, el LHC le está dando tortas por todos lados al modelo MSSM y hoy en día solo le queda un pequeño resquicio para poder respirar. Sin embargo, pasar al siguiente modelo NMSSM (next-to-minimal supersymmetry model) para arreglar el desaguisado (así que la SUSY en general está sufriendo poco con los resultados del LHC).
En resumen, con el descubrimiento del Higgs se ha iniciado una nueva era en la física, la de la física del Higgs, en la que tendremos que estudiar todas sus propiedades con gran precisión con objeto de descubrir cualquier pequeña desviación respecto a las predicciones del modelo estándar que nos guíen hacia el futuro de la física del siglo XXI, hacia el modelo que sustituya al modelo estándar.
“Sit down before fact as a little child, be prepared to give up every preconceived notion, follow humbly wherever and to hatever abysses nature leads, or you shall learn nothing.” Thomas Henry Huxley

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