Bosón de Higgs
En 2012, en el Gran Colisionador de Hadrones, de 27 kilómetros de longitud, colisiones de partículas a alta velocidad produjeron el bosón de Higgs, que finalmente fue descubierto en los años 60. Falta la pieza del rompecabezas del modelo estándar de física de partículas, y su importancia es evidente por sí misma.
Pero desde entonces, el Gran Colisionador de Hadrones no ha descubierto otras partículas nuevas, lo que ha resuelto muchos misterios del universo que no pueden explicarse mediante el modelo estándar. Los físicos están explorando la posibilidad de construir un acelerador de partículas más grande (quizás de 100 kilómetros de circunferencia, posiblemente en Suiza o China) para seguir explorando nueva física.
Los físicos dicen que también podemos aprender más sobre el universo a partir del propio bosón de Higgs. Inicialmente, Peter Higgs propuso esta partícula para explicar el origen de la masa en el universo, por lo que finalmente ganó el Premio Nobel de Física en 2013.
Según el mecanismo de Higgs, todo el universo está lleno del campo de Higgs, que es un campo cuántico. La partícula de Higgs es una onda o fluctuación cuántica en el campo de Higgs. Debido a que la mecánica cuántica entrelaza partículas con campos de la naturaleza, la presencia del campo de Higgs impregna otros campos cuánticos, y es este acoplamiento el que da a las partículas relevantes su masa.
Sin embargo, los físicos actualmente saben muy poco sobre el ubicuo campo de Higgs, ni entienden el momento crítico en el universo temprano cuando el campo de Higgs repentinamente pasó de un valor cero en todas partes (es decir, un estado inexistente) al estado del valor uniforme actual. Es precisamente debido a este evento de "ruptura de simetría" que los quarks, los electrones y otras partículas elementales ganan inmediatamente masa, llevándolos a formar átomos y más tarde diversas sustancias y cuerpos celestes en el universo.
Entonces, ¿por qué el universo decidió permitir que el campo de Higgs existiera en todas partes? Michelangelo Mangano, físico de partículas de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, dijo que este es un problema extremadamente enorme al que se enfrenta la física hoy en día.
El universo produjo cantidades iguales de materia y antimateria al principio, pero ahora casi solo hay materia en el universo. Los físicos quieren saber si el evento de ruptura de la simetría de Higgs ocurre cuando no existen materia y antimateria. La simetría juega un papel.
Otra pregunta es si el valor actual del campo de Higgs es estable o podría volver a cambiar repentinamente. Se trata de una perspectiva inquietante, conocida como "desintegración del vacío", que tiene el potencial de provocar la destrucción del universo. Se puede pensar en el valor del campo de Higgs como una bola que golpea el fondo de un valle, pero la pregunta es: ¿hay valles más profundos en la curva matemática que definen los posibles valores de este campo? Si existiera, la bola eventualmente haría un túnel hacia un valle más bajo y más estable, correspondiente a una caída en la energía del campo de Higgs. Una burbuja de "verdadero vacío" más estable se expandirá rápidamente y su velocidad pronto se acercará a la velocidad de la luz. Rodeará el "pseudo vacío" en el que hemos estado viviendo y eventualmente destruirá todo.
El campo de Higgs no sólo está relacionado con el origen y destino del universo, sino que el comportamiento de la partícula de Higgs también puede revelar que las partículas ocultas o desconocidas que interactúan con él pueden ser las misteriosas partículas de materia oscura. en el universo. En los colisionadores de partículas, cuando las partículas chocan entre sí a casi la velocidad de la luz, su energía cinética se convierte en materia, produciendo ocasionalmente partículas pesadas como el bosón de Higgs. Luego, el Higgs se transforma rápidamente en otras partículas, como un par de quarks superiores o un bosón W, y la probabilidad de cada resultado depende de qué tan fuertemente está acoplado el bosón de Higgs a la partícula. Al medir con precisión la probabilidad de que el Higgs decaiga y comparar los resultados con las predicciones del modelo estándar, se puede ver si falta algo, porque todas las probabilidades deben sumar 1.
Melissa Franklin, física de partículas de la Universidad de Harvard, dijo que cuanto más estudiemos la partícula de Higgs, más probable será que encontremos que la naturaleza del universo puede no ser como esperábamos, lo que conducirá a una Nueva física, por lo que los físicos deberán realizar una serie de experimentos.
Por lo tanto, la primera etapa del supercolisionador de próxima generación planeado recibe el sobrenombre de "Fábrica de Higgs", porque la máquina colisionará electrones y positrones con energías sintonizadas con precisión para maximizar la probabilidad de producir un bosón de Higgs, el posterior La desintegración del bosón de Higgs se puede medir con precisión. En la segunda etapa, la máquina gigante chocará protones, provocando colisiones más caóticas pero de mayor energía.
En el Gran Colisionador de Hadrones, la mayoría de los acoplamientos del bosón de Higgs con otras partículas del Modelo Estándar se han medido con aproximadamente un 20% de precisión.
Pero en futuros colisionadores, al producir más bosones de Higgs, el error podría reducirse al 1%. Esto permitirá a los físicos comprender mejor si las probabilidades suman 1 o si el bosón de Higgs ocasionalmente se desintegra en una partícula desconocida. Nuevas partículas acopladas al Higgs aparecen en otras teorías físicas fuera del modelo estándar, como el modelo gemelo de Higgs.
Quizás el acoplamiento más importante que los físicos quieren determinar es el acoplamiento de tres Higgs, que es esencialmente la fuerza con la que el bosón de Higgs interactúa consigo mismo. El Modelo Estándar predice que un bosón de Higgs puede desintegrarse en dos, pero este fenómeno aún no se ha observado en el Gran Colisionador de Hadrones. Entonces, si las mediciones se desvían de las predicciones teóricas, significaría que hay nuevas partículas no incluidas en el Modelo Estándar que podrían influir en el Higgs.
También se espera que la medición del acoplamiento de los tres campos de Higgs revele la forma de la curva matemática que define los diferentes valores posibles del campo de Higgs, lo que podría ayudar a determinar si el vacío del universo es estable. o simplemente inestable. Se estabiliza en el mínimo local de la curva, en lugar del mínimo global. Si las predicciones del Modelo Estándar sobre este acoplamiento son correctas, entonces el universo es metaestable y está destinado a desintegrarse en el vacío después de billones de años. Pero no es nada de qué preocuparse y es una pista importante sobre la naturaleza de nuestro universo.
C?dric Weiland, físico de partículas de la Universidad de Pittsburgh, dijo que debido a que puede revelar el destino final del universo, el estudio del acoplamiento de tres Higgs será definitivamente el núcleo del futuro experimento de colisionadores. proyectos. Con la Fábrica de Higgs, los físicos pudieron medir tres acoplamientos de Higgs con una precisión del 44% en la primera etapa. En la segunda etapa, el colisionador protón-protón puede reducir el error a menos del 5%.
La expectativa básica de los físicos es que las futuras mediciones del colisionador simplemente confirmen el modelo estándar de la física de partículas, que parece ser indestructible a pesar de su descripción incompleta del universo físico. Algunos físicos se muestran reacios a invertir decenas de miles de millones de dólares en una máquina que podría añadir más precisión en puntos decimales a un conjunto de ecuaciones que ya conocemos.
Los físicos todavía están debatiendo el valor del sucesor del Gran Colisionador de Hadrones y si se necesitarán 20 años y decenas de miles de millones de dólares para construir un colisionador con una circunferencia de 100 kilómetros. En colisionadores del pasado, una colisión de partículas tras otra fue reconstruyendo gradualmente el modelo estándar. Sin embargo, una vez completado el rompecabezas, no hay garantía de que los futuros aceleradores de partículas de alta energía descubran algo nuevo, lo que deja a los físicos con un dilema: ¿construir o no construir?