El bosón de Higgs

Peter W. Higgs, entre otros científicos, predijo la existencia del llamado “bosón de Higgs”, que permite comprender el origen de la masa de las partículas subatómicas. Propuso la existencia de un campo de energía que llena todo el Universo, el llamado actualmente “Campo de Higgs”, cuyas unidades elementales, cuantos, son los Bosones de Higgs, partículas que dificultan por rozamiento el libre desplazamiento de las partículas de la materia, frenándolas en mayor o menor medida, con lo que adquieren mayor o menos masa. Tras la explosión inicial del Big Bang, origen del Universo (explosión de una bolita infinitamente densa y comprimida hace unos 13.800 millones de años), éste comenzaría a enfriarse y las partículas elementales de la materia, que viajaban a la velocidad de la luz, comenzarían a frenarse y a adquirir masa, por presencia del Campo de Higgs, y dsepués formarían la materia: galaxias, estrellas, etc.

 

Campo de Higgs

Se representan los bosones mediadoresde, capaces de materializar la energía

y frenar las partículas elementales, dotándolas de masa, como ocurrió tras el Big Bang.

      Los experimentos realizados en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) han corroborado experimentalmente la existencia del Bosón de Higgs con ayuda del Gran Colisionador de Hadrones, LHC (en el LEP) y los detectores de partículas (Atlas y CMS) a los que se ha encomendado la tarea de registrar las colisiones de alta energía de los protones y antiprotones acelerados a velocidades cercanas a la de la luz en sentidos opuestos (se producen más de 300 colisiones cada segundo). Así, reproduciendo lo mejor posible las condiciones del Big Bang (en el que las partículas elementales no tenían masa), se han efectuado dichas colisiones y se ha detectado la presencia de de una nueva partícula, el Bosón de Higgs, que se desintegra inmediatamente (vida media igual a un zeptosegundo, 10^-21 s) pero son evidentes las partículas que se obtienen. El Bosón de Higgs es la causa de la existencia de masa en las partículas materiales dentro del Campo de Higgs.

LEP, anillo de 27 km de circunferencia

 

     De acuerdo con la teoría de Higgs todo el universo está relleno de un campo especial de energía, cuya unidad fundamental o cuanto es el llamado Bosón de Higgs, H⁰. El problema del origen de la masa de las partículas materiales se resuelve porque se postula que dicha propiedad procede de la interacción de las mismas con el campo y la dificultad que ofrecen los bosones de Higgs, es decir, una partícula tiene poca masa si interactúa poco con el campo y continúa moviéndose a gran velocidad, es decir, no se transforma su energía en masa. Por ejemplo, los electrones interaccionan muy poco con el campo y por esto poseen muy poca masa. Las partículas que no interaccionan con el campo de Higgs no adquieren masa, por transformación de su energía (Ecuación de Einstein), y, por tanto, no se frenan en él, tal como ocurre con los fotones y demás bosones. Los quarks, sin embargo, interactúan fuertemente con dicho campo, casi toda su energía se condensa o transforma en masa y prácticamente se frenan en él. Al igual que la vibración del campo electromagnético produce fotones, la excitación, provocada en las colisiones de alta energía, crean los bosones de Higgs.

 

 

    

Los quarks son partículas fundamentales

Son, junto a los electrones (leptones), las partículas elementales de la materia visible.

Los quarks se clasifican como fermiones que son las partículas que forman prácticamente toda la materia que nos rodea, pues constituyen los protones y los neutrones. Los quarks (símbolo q) contribuyen en gran medida a la masa de los átomos (según la “teoría de Higgs” interactúan fuertemente con el hipotético “Campo de Higgs” por medio del portador o partícula mediadora “bosón de Higgs”, que es la causa de que se frenen y adquieran masa).

      Existen seis tipos (“sabores”) de quarks: arriba, u (up), abajo, d (down), encanto, c (charm), extraño, s (strange), cima, t (top) y fondo, b (botton), con sus correspondientes antipartículas. Las variedades s, c, t y b son muy inestables, sin embargo las u y d se mantienen. Todos poseen carga eléctrica.

      Los quarks no se encuentran libres en la naturaleza sino asociados o combinados formando otras partículas compuestas (hadrones), por ejemplo, los u y los d constituyen los protones y los neutrones, con tres quarks. En cada caso. También forman los mesones, partículas muy inestables, en grupos compuestos de un quark y un antiquark. Las partículas portadoras que unen los quarks son los gluones (“pegamento o ligadura”),  partículas elementales clasificadas como bosones. Los gluones son partículas estables, sin carga ni masa, que transmiten la interacción fuerte entre los protones y los neutrones, manteniendo unido el núcleo atómico.

      Los protones y los neutrones están formados por dos clases de quarks:

           -  los u; número másico 1/3; carga eléctrica +2/3;

           -  los d; número másico 1/3; carga eléctrica -1/3.

El protón es la combinación de dos u y un d (uud), por tanto su número másico será: 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1; y su carga es: 2/3 + 2/3 - 1/3 = + 1.

El neutrón está formado por dos quarks d y uno u. Por tanto, su número másico es 1 y su carga 0.

      Los mesones están constituidos de un quark y un antiquark. Por ejemplo, el pión (π) consta de un quark arriba, u, y un antiquark del abajo                                                                          

                                                                        _
                                                                        d

por lo tanto tienen de carga 2/3+1/3 =+1. Son muy inestables y se aniquilan con gran rapidez.

      Cuando decimos que, en un proceso radiactivo, se conserva el número de nucleones, en realidad se trata del número de quarks. Por ejemplo, en la desintegración β^-:

                                                                    _
                                            n  ® p  + e^-  +  υ

y se escribe:                                                    _

                                     (udd)  ® (uud) + e^- + υ

lo que supone la desintegración de un quark d según el esquema:

                                                                    _
                                         d  ® u   +   e^-  +  υ

en el que se verifica la ley de la conservación del número de quarks.  
 

      De manera similar en la desintegración β⁺, un protón se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino:

                             ¹₁p  ® ¹₀n  + ⁰₊₁e⁺  + ⁰₀υ
 

      En las interacciones débiles han sido descubiertos, con los aceleradores del CERN, varios mediadores: los W^±, unas cien veces más pesados que el protón, y los Z⁰, la forma neutra del W. Son inestables y tienen una vida media de 10^-24 s.
 

      Cuando un neutrino interviene en un proceso nuclear, el mediador de dicho proceso es el W. En las cámaras de burbujas se han observado intercambios de estos mediadores, por ejemplo, en la

desintegración de un neutrón (desintegración β^-) y en choques entre neutrinos y protones.

 

 

Las partículas de la materia

      A principios del siglo XX apenas se conocían unas cuantas partículas subatómicas: el electrón, el fotón, el protón, el neutrón, el positrón y el neutrino. Hoy se conocen más de 200 partículas elementales, muchas de las cuales se han descubierto tras el estudio de los rayos cósmicos y de las reacciones nucleares, e investigando con los aceleradores de partículas.

 

      En la tabla que hay más adelante se relacionan las partículas elementales más importantes y algunas de sus propiedades. Se incluyen también las antipartículas de cada partícula ordinaria, pertenecientes a la llamada antimateria. En algunos casos se han omitido las antipartículas por ser las mismas que las partículas de la materia ordinaria.

      Se pueden considerar tres familias de partículas: los fermiones (leptones y quarks), los bosones (incluido el fotón) y los hadrones (bariones y mesones).

      El fotón es un bosón, tiene spin 1, su carga y su masa en reposo son nulas y es la partícula que constituye las radiaciones electromagnéticas, como se manifiesta al estudiar algunas de sus propiedades. Es el mediador o portador de las interacciones electromagnéticas. Por ejemplo, en la interacción de un positrón con un protón, el protón lanza un fotón γ en la dirección del positrón, éste absorbe el fotón y el impacto le hace desviarse.

      Otro bosón, el gluón, es el transmisor de la interacción fuerte. Interviene en la ligadura de los protones y neutrones manteniéndolos unidos en el núcleo atómico

     En la interacción gravitatoria, el mediador es el gravitón, G, de masa nula y todavía no observado experimentalmente, aunque ha sido predicho teóricamente.

      La interacción débil es transmitida por los bosones W y Z.

      El bosón de Higgs es el mediador capaz de materializar la energía y determinar la masa de las demás partículas, aunque a algunas, como el fotón, no les afecta.

      El protón y el neutrón son bariones de masas en reposo 938,2 y 939,5 MeV/c², respectivamente. Los demás bariones son algo más pesados (de más de 1 000 MeV/c²) y se llaman hiperones o partículas extrañas. Se incluye la última partícula descubierta en las cámaras de burbujas, la omega Ω^-, que es la de mayor masa en reposo, pero de muy corta duración. Las partículas xi  se pueden producir en la colisión de un mesón pión, π⁺, y un neutrón, dando también dos kaones, K⁺.

      Los leptones son fermiones mucho más ligeros que el protón y se pueden desplazar libremente. Su masa en reposo vale 0, para los neutrinos, 0,5 MeV/c², para el electrón y el positrón, y 105,7 MeV/c², para los muones. Éstos últimos fueron descubiertos en los rayos cósmicos y se obtienen generalmente por desintegración de los piones según los esquemas: 

                                                           

π⁺   ®   μ⁺  +  /ν_μ

  π^-   ®   μ^-  +  /ν_μ

Se obtiene un neutrino muónico (asociado al muón) y su antineutrino. Los muones son inestables, se desintegran, por ejemplo, según:

                                               μ^-  ® e^- + ν_μ +  /ν_e

dando un neutrino muónico y un antineutrino electrónico.

      Los mesones son hadrones algo más pesados que los leptones pero muy inestables, se aniquilan con rapidez. Están sujetos a interacciones fuerte, débil y electromagnética. Están sujetos a interacciones débiles. Existen piones positivos, negativos y neutros.

      Las partículas K son efímeras; una K⁺ se desintegra según la ecuación:

                             K⁺  ®  μ⁺  +  ν_μ

con una vida media de 10^-8 s.

      Los fermiones forman prácticamente toda la materia que nos rodea, son las partículas fundamentales de la materia visible, especialmente los electrones, el neutrino electrónico y los quarks arriba y abajo. Los quarks no se han observado libres en la naturaleza; todas las partículas están compuestas de quarks, excepto los leptones y los mesones. Los quarks se combinan para dar hadrones, para corregir la carga eléctrica fraccionaria que poseen y obtener una carga entera, actuando como mediadores los gluones. Por ejemplo, el neutrón se forma por la combinación de tres quarks, uno u y dos d, y el protón por la unión de dos u y un d.

 

      A continuación se expone un cuadro con la clasificación de las partículas de la materia.

ELEMENTALES	FERMIONES (partículas fundamentales de la materia visible, esencialmente, los señalados en rojo. Los demás estaban presentes en el Big Bang, pero hoy sólo se encuentran en los aceleradores y en los rayos cósmicos)	LEPTONES	- electrón, e- (β-)(Electricidad y r.q.)  (el positrón, e+ (β+) es antimateria) - muón, μ (carga ±1)(compañero del e-, pero con mayor masa) - tau, τ (sin carga, pero más pesado) - neutrino electrónico, νe(sin carga) - neutrino muónico, νμ (sin carga) - neutrino de tau, ντ((sin carga)     - antineutrinos, /ν. (antimateria)
		QUARKS       6 tipos   (no se han observado libres en la naturaleza, sino combinados, prisioneros de partículas más grandes)	- arriba, u (up) )(su carga es +2/3) (el protón contiene dos, el neutrón uno) - abajo, d (down) (su carga es -1/3) (el protón contiene uno, el neutrón dos)   - encanto, c (charm) (+2/3) - extraño, s (strange) (-1/3) - cima, t (top) (+2/3) - fondo, b (botton) (-1/3) - y los antiquarks respectivos (antimateria), de carga opuesta.
	BOSONES (son las Partículas portadoras de las cuatro interacciones o fuerzas)	- fotón, ϒ     -------------- - gluón, g        8 tipos	(Unidad elemental, cuanto, de la luz, sin masa ni carga, pero transmite la fuerza electromagnética) ------------------------------ (Transmite la fuerza fuerte: es la partícula ligadura de los hadrones, manteniendo unido el núcleo atómico) (no tiene masa y su antipartícula es ella misma)
		-otros  bosones	W±, Z0 (transmisoras de la fuerza débil, tienen masa) Bosón de Higgs, H0 (tienen masa y determinan la masa de las demás partículas) Gravitón (Transmiten la fuerza de la gravedad) (No observado)
COMPUESTAS	HADRONES	BARIONES (con 3 quarks)	Nucleones: - protón, uud  (+2/3 + 2/3 – 1/3 = +1) - neutrón, udd (+2/3 – 1/3 – 1/3 = 0) Hiperones: lambeda Λ0, sigma Σ (+, -, 0) y sus antimateria, xi Ξ ó (+, -, 0), omega Ω-1
		MESONES (compuestos de un quark y un antiquark)	pión, π±, (es u + /d), y carga 2/3 + 1/3 = +1, y el π0que tendría por ejemplo un u y un  /u (2/3 -2/3).   kaón, K, ±, y K0   mesón J/Ψ, hecho de un quark encanto y su antipartícula: c + /c (2/3 -2/3 = 0)

Realmente, las partículas elementales se clasifican en:

- quarks, que son las máximas responsables de la existencia de la materia.

- ligeras: electrón, muón y neutrino.

- mediadoras: fotón (cuanto de luz que transmite la interacción electromagnética), gluón que transmite la interacción o fuerza fuerte y las W y Z, que transmite la interacción débil.

    Se podrían añadir: el bosón de Higgs, que transmite la masa a las demás, y el hipotético gravitón, transmisor de la gravedad.