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No solo del Higgs vive la masa

Sabemos que el Higgs es el responsable de dar masa a ciertas partículas. Sin embargo, no toda la masa de las cosas que nos rodean vienen de la interacción con el Higgs.

Vamos a ver cómo gran parte de la masa de las cosas viene por efectos que no están relacionados con el Higgs.

Simetría gauge y masa

En el blog hemos discutido muchas veces que el modelo estándar se construye sobre la base de la existencia de unas simetrías que nos dan la forma de interacción de las partículas elementales, la simetría gauge.

Este principio de simetría es muy potente por dos motivos:

  1. Nos dice las cargas asociadas a cada interacción.
  2. Nos da la forma precisa de dichas interacciones.

Pero como contrapartida tenemos un problemita, las teorías gauge solo funcionan si las partículas no tienen masa.  Para una discusión sobre este tema os dejo dos entradas:

¿Qué es el Higgs?  Donde se habla de estos temas de gauge y masa.

El fotón y la masa. Donde se muestra porqué una teoría gauge impide que una partículas como el fotón, el bosón mensajero de la interacción electromagnética, no puede tener masa por cuestiones de simetría.

El mecanismo de Higgs es una forma de que las partículas (algunas de ellas) adquieran masa de forma compatible con la simetría gauge.

Lo que sabemos es que por simetría gauge ni fotones, ni los bosones de la interacción débil Z^0, W^+ y W^-, ni los gluones, etc, deberían de tener masa. Y experimentalmente sabemos que todas las partículas, excepto el fotón, tienen masa. Los bosones de la interacción débil tienen masas comparables a núcleos de elementos tan pesados como el oro.  Aquí es donde el Higgs juega su papel, según este mecanismo el campo de Higgs es capaz de acoplarse con distintos bosones mensajeros y con fermiones como el electrón, quarks y neutrinos para dotarlos de masa sin violar de forma flagrante la simetría gauge.

El protón y el neutrón

Cuando miramos un átomo está constituido por un núcleo y sus electrones orbitales.  Echando cuentas uno puede comprobar que la masa del átomo está esencialmente en su núcleo. Entre un 95% y un 99% de la masa del átomo le corresponde al núcleo.

Los núcleos están constituidos por protones y neutrones. A su vez, se sabe experimentalmente que neutrones y protones, los nucleones, están formados por quarks.

Un protón está constituido por dos quarks de tipo up y un quark de tipo down. El neutrón, a su vez, está constituido por dos quarks de tipo down y un quark de tipo up.

Esta imagen simplista nos dice que con estos tres quarks se pueden entender las propiedades básicas de los nucleones como su carga eléctrica y su espín. Pero, la realidad nos depara sorpresas.

Cuando lanzamos electrones muy energéticos contra nucleones, lo que se llama experimentos de dispersión inelástica profunda, podemos ver la estructura interna de los mismos.

Entonces encontramos este resultado al medir una cosa llamada factor de forma (que nos habla de la estructura interna de los nucleones):

Sin embargo, teóricamente esto NO CORRESPONDE con una estructura interna de solo tres quarks.  Los modelos teóricos:

Es decir, un nucleón es algo que tiene tres quarks que determinan sus propiedades tipo carga y espín. Pero además, está lleno de gluones (los que transmiten la interacción fuerte) y pares de quark/antiquark que se crean en su interior y se reabsorben.

La imagen pictórica más acertada sería algo así:

La masa de los nucleones

Si uno presupone que un nucleón solo está compuesto por tres quarks (de los tipos u y d) y supone que estas partículas se mueven dentro de los nucleones de forma no relativista (velocidades bajas) puede estimar la masa de los mismos. El resultado es que la masa de los quarks es m_q\approx 310MeV, que es aproximadamente 1/3 de la masa de los nucleones.  Pero como hemos visto, esto es incorrecto.

La interacción que importa para entender la estructura de los nucleones es la interacción fuerte. Esta interacción opera entre quarks y se considera que está mediada por gluones.

Los quarks tienen una carga que les permite interactuar entre ellos intercambiando gluones, la carga de color, que puede tomar tres valores, rojo, verde y azul. (Para una explicación de la carga de color y su aparición en escena: ¿Coloreamos?  y Extrañas estrellas extrañas)

Una diferencia esencial entre la interacción fuerte y el electromagnetismo es la siguiente:

  1. Cuando dos cargas eléctricas están mas cerca sienten mayor intensidad del campo eléctrico de la otra.
  2. Con la interacción fuerte pasa al revés, cuanto más cerca están los quarks menos intensidad de la interacción fuerte sienten. A esto se le llama libertad asintótica.
  3. Sin embargo, si intentamos separar dos quarks la intensidad aumenta tanto que no somos capaces de tener un quarks aislado. Esto se llama confinamiento.

El confinamiento de los quarks es debido a que en la naturaleza solo están permitidas conformaciones neutras de color. Para conseguir tal combinación tenemos que tener una configuración de color/anticolor o de rojo/verde/azul.

Es por eso que conocemos los mesones (quark-color/antiquark-anticolor) y los bariones (3 quarks cada uno con un color distinto).

Cuando estudiamos la interacción fuerte, la cromodinámica, encontramos una escala de energía (y por tanto de tamaños), la constante de acoplo \Lambda_{QCD}. (Para entender la relación entre energías y longitudes: Unidades Naturales).

Los quarks up y down tienen unas masas muy pequeñas comparadas con la escala de la cromodinámica:

m_q<<\Lambda_{QCD}

Esto nos indica que la masa de los quarks por si mismos, (generada por el Higgs), contribuye muy poco a la energía de un nucleón. Además, indica que los quarks dentro de los nucleones se mueven de forma relativista.

Por lo tanto, gran parte de la masa de los nucleones está generada no por el Higgs sino por la escala de energía a la que la cromodinámica nos dice que los quarks tienen libertad asintótica.

Hacer el cálculo exacto de la masa de los nucleones es muy complicado. La teoría no admite aproximaciones que simplifiquen el cálculo ya que a las energías en la que nos movemos los quarks están confinados. Esto hace que dicho cálculo sea toda una odisea técnica. Hay algunos resultados interesantes en cromodinámica cuántica en redes. En estos cálculos el espaciotiempo se sustituye por una malla en la que en los nodos están los quarks y en las uniones entre nodos aparecen los gluones.

Con estas técnicas matemáticas se ha podido calcular la masa de los nucleones con cierto éxito (aunque no es totalmente satisfactorio por el momento):

Introduciendo a mano las masas de algunas partículas hadrónicas (mesones y bariones) se ha podido predecir las masas de otras partículas.  En la figura tenemos representados los datos puestos a mano por los puntos azules, los rojos son los predichos por el cálculo en la malla y se prepresentan los errores que se introducen en el cálculo. Las líneas negras son los valores experimentales.

Así que podemos concluir que gran parte de la masa de las cosas que nos rodean no vienen de la mano del Higgs sino que hay que buscarla por las características de la interacción fuerte. Todavía nos queda mucho por aprender de la estructura de la materia.

Para ampliar información podéis bucear en el blog de Francis:

Quarks, gluones, masa.

Y este artículo de Frank Wilczek: Origin of mass

Nos seguimos leyendo…

Que tu mano derecha no sepa lo que hace la izquierda

Hoy nos ocupamos de una característica sutil de la naturaleza.  Aunque generalmente la física no cambia si reflejamos los procesos en un espejo hay situaciones en la que existe una diferencia entre el proceso mirado a uno y otro lado del espejo.  Esto depende de una propiedad de las partículas y sus interacciones denominada quiralidad.

Aunque a primera vista puede parecer una cuestión menor, el hecho de tener interacciones quirales (que distinguen izquierda y derecha) es una propiedad importante en nuestro universo. De hecho, como veremos en breve en alguna entrada, es un requisito importante para saber si un modelo (derivado de la teoría de cuerdas, por ejemplo) puede acomodar la física que nos rodea a nivel de las partículas elementales. Trataré de hacer la discusión lo más simple posible. Sigue leyendo

C.S.I. GINEBRA – ESTADO DE LAS INVESTIGACIONES

Esta entrada ha sido escrita por: Laura Morrón Ruiz de Gordejuela (@lauramorron) y en ella se revisan los nuevos resultados sobre el Higgs que se han ido anunciando en el LHC. Continuación de: C.S.I. Ginebra 

A partir de los resultados presentados en los seminarios del 4 de julio se conocía la existencia de un nuevo bosón cuyas huellas coincidían (con una significancia estadística de 5 sigmas) con las de un bosón Higgs estándar con una masa alrededor de 125-126 GeV, en dos de los caminos de desintegración.

Un mes después de la presentación en sociedad del candidato vale la pena revisar en qué estado se encuentran las investigaciones y qué se puede deducir de las últimas noticias que han aparecido. Es importante analizar los nuevos datos con cautela y no hacer conclusiones precipitadas.

Sin ir más lejos, el pasado 31 de julio, el equipo de investigación de ATLAS anunció que se habían constatado evidencias de la producción y desintegración de una partícula compatible con un bosón de Higgs estándar de 126 GeV, con una significancia de 5.9 sigmas. Esta revelación puede inducir al error de pensar que si con 5 sigmas, en física de partículas, se da por válido un descubrimiento, con 5.9 ya puede considerarse definitivo. Por eso es importante ser prudentes y analizar con detalle de donde proviene este incremento en la significancia estadística.

En este caso, el aumento a 5.9 sigmas se debe a la inclusión, en la suma de resultados presentados el 4 de julio, de los datos obtenidos en un tercer canal que no se había contemplado entonces. Este nuevo canal requiere un mayor número de colisiones que los dos anteriores para dar valores significativos. De hecho, el análisis aislado de sus datos da una significancia estadística menor de 3 (2.8 sigmas).

Resumiendo, los nuevos resultados siguen siendo favorables pero persiste el obstáculo de las fluctuaciones estadísticas que entorpecen el correcto análisis de los resultados. Así que hay que esperar a tener un mayor número de datos para poder proceder a la correcta identificación del candidato mediante el estudio de sus propiedades físicas. Y será una vez identificado o descartado cuando habrá que plantearse las consecuencias del descubrimiento de esta nueva partícula en la concepción del mundo.

Nota:

Para repasar lo que significa eso de las sigmas pulsa –> AQUÍ

C.S.I. GINEBRA

Esta entrada ha sido escrita por la nueva colaboradora de Cuentos:

Laura Morrón Ruiz de Gordejuela @lauramorron

Estos días se ha hablado mucho del bosón de Higgs e incluso, en algún medio más atrevido, se ha llegado a proclamar su descubrimiento. Pero la realidad, como sabemos, es que aún no se le ha echado el lazo al tan preciado bosón. Por el momento sólo contamos con la aparición en escena de un candidato a Higgs con muchas posibilidades. Afortunadamente, el mero descubrimiento de este aspirante ya constituye un hecho crucial en la historia de la física y es la razón del estallido de aplausos que inundó la sala de conferencias del CERN donde se impartieron los dos seminarios en que se hizo público el descubrimiento.

En estas líneas no nos centraremos en el candidato a Higgs sino en los científicos que llevan años tratando de dar con él. Presentaremos, a grandes rasgos, los problemas que se han encontrado y se encuentran en el proceso de detección e identificación del sospechoso. En el caso del LHC los equipos de investigación que compiten por dar caza al bosón son dos: CMS y ATLAS y el hecho de realizar una investigación a dos frentes es imprescindible para poder validar el descubrimiento con dos resultados obtenidos de forma independiente. Además, para que negarlo, también le da vidilla al asunto.

CMS

ATLAS

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Guía sobre partículas, modelo estándar y Higgs

Vamos a poner una recopilación de las entradas de Cuentos Cuánticos que son útiles para no perderse en la terminología empleada cuando se habla de partículas elementales, del modelo estándar y del bosón de Higgs.

Daremos una breve descripción de cada entrada o minicurso relacionado.

Aunque a veces es bueno perderse, también es bueno encontrar el camino.

Así, si alguno de vosotros está interesado en estos temas, esperamos que esto sirva de punto de partida para una búsqueda más profunda y para aclarar algunos temas y algunos términos.

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