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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…

Extrañas estrellas extrañas

Strangers in the night… taratarata… Strangers in the night… taratarata…

Nada, no me lo tengáis en cuenta, son cosas primaveriles y tal. Pero aprovechando lo extrañados que estáis todos ante la maravillosa apertura de esta entrada vamos a hablar de materia extraña y de la posibilidad de que en nuestro universo existan estrellas formadas por quarks y algunos de ellos quarks extraños. (No diréis que no está bien traído).

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¿Coloreamos?

Es de “conocimiento popular” que los quarks tienen una característica denominada color. Esta poco tiene que ver con los colores que vemos con nuestros ojos, es simplemente el nombre que se le dio (los físicos acostumbran a buscar nombres ingeniosos para sus descubrimientos) a una característica de los quarks.

En esta entrada pretendemos motivar la existencia de esta característica color. Más adelante nos introduciremos en su significado, su papel y sus propiedades, en las interacciones entre quarks.

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Empecé jugando y acabé construyendo hadrones

Vamos a inventar un juego tipo lego con el que podamos construir partículas. Para ello vamos a definir nuestras piezas y luego la forma en la que podemos combinarlas.

Para que todo vaya bien intentaremos ser lo más explícitos que nos sea posible. Y es importante que entendamos que lo que vamos a hacer es poner a mano las características de nuestras piezas. Nosotros elegiremos qué cualidades tienen y qué valores tienen las piezas que vamos a usar en nuestro juego. En esta entrada se recomienda el uso de eso que se llamaba lápiz y papel

Esto nunca deja de sorprenderme.

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Entre uno y otro… (primera parte)

La naturaleza tiene la manía de convertir unas partículas en otras.  Es una manía interesante porque con estos fenómenos, conocidos como oscilaciones, podemos aprender mucho de la realidad física de nuestro universo.

Por ejemplo, si uno mira la oscilación de los neutrinos podemos aprender muchas cosas de estar partículas.  La consecuencia esencial de que los neutrinos oscilen es que tienen que tener masa.

En esta entrada vamos a ver introducir la base para estudiar otro proceso de oscilación, esta vez entre Kaones neutros. Lo siento mucho pero esta entrada será de lápiz y papel, habrá que hacer unas cuentas para seguir el hilo. Espero que sea divertido.  En siguientes entradas explicaremos la importancia de todo esto y su relación con resultados actuales como los comentados en las siguientes entradas:

BaBar observa un exceso a 3,4 sigmas respecto al modelo estándar en las desintegraciones semileptónicas de los mesones B en el blog Francis (th)E mule Science’s News

Los últimos resultados de Babar apuntan a posible nueva física en el blog La Hora Cero

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