El modelo estándar y el bosón de Higgs: Ruptura electrodébil

Partes del especial «El modelo estándar y el bosón de Higgs»

Parte 1: El Modelo Estándar
Parte 2: Constituyentes básicos de la materia
Parte 3: Interacciones básicas
Parte 4: Simetrías básicas
Parte 5: Masa contra simetría
Parte 6: El mecanismo de Higgs
Parte 7: Una imagen sencilla
Parte 8: Ruptura espontánea de la simetría
Parte 9: Ruptura electrodébil
Parte 10: Al comienzo del universo…

Resumamos lo dicho hasta ahora. El Modelo Estándar tiene simetrías locales que dan lugar a las cuatro interacciones fundamentales: gravitatoria, electromagnética, fuerte y débil. Pero estas simetrías prohíben en principio que las partículas tengan masa. El problema se resuelve cuando (algunas de) esas simetrías se rompen espontáneamente (se camuflan), gracias al valor en el vacío de un nuevo campo, el campo de Higgs.

fuerzas interacciones fundamentales

Como consecuencia, las partículas mediadoras de las interacciones asociadas con las simetrías rotas adquieren masa; y también pueden adquirir masa todas las partículas de la materia, gracias a su interacción con el campo de Higgs. Y como vestigio de todo el proceso queda una nueva partícula con masa, el bosón de Higgs.

Ahora bien, ¿cuáles son exactamente las simetrías del Modelo Estándar que se rompen? Como puede imaginarse de todo lo anterior, son las que están detrás de las interacciones cuyas partículas mediadoras tienen masa, o sea, los bosones W y Z que transmiten la interacción débil. Esto fue formulado con todo detalle en los años sesenta por Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Abbdus Salam. La idea es que las interacciones débiles y electromagnéticas provienen todas ellas de una gran simetría, la llamada simetría electrodébil.

Esa simetría es la que se rompe espontáneamente (se camufla) debido a que el campo de Higgs toma un valor en el vacío. Por el contrario, la simetría de color, asociada a las interacciones fuertes, queda intacta, y por tanto los gluones permanecen sin masa. Pero no toda la simetría electrodébil se rompe. Hay una parte de ella que sobrevive sin romperse. ¿Qué queremos decir con esto? Para entenderlo, imaginemos a una persona en el centro de una gran esfera, tal como representa la figura.

simetría electrodebil ruptura

Esta persona observará que su mundo (la esfera) posee una gran simetría: es invariante bajo cualquier rotación en torno a su centro. Pero si ahora, por alguna razón, esa persona se desplaza hasta el «polo norte» de la esfera, desde su nueva perspectiva la gran simetría se habrá ocultado: se habrá roto espontáneamente. Pero no toda la simetría. La persona verá ahora una cúpula a sus pies. Por tanto, su mundo es todavía simétrico, aunque solo bajo rotaciones en torno al eje vertical.

Ese trozo de la simetría inicial ha sobrevivido al proceso de ruptura. De forma totalmente análoga, la simetría electrodébil original se rompe debido al campo de Higgs, pero queda un trozo intacto. El trozo roto corresponde a los bosones W y Z, o sea, la interacción débil. El trozo sin romper corresponde a los fotones, que permanecen sin masa. Así que las interacciones débiles y electromagnéticas están totalmente entremezcladas, son aspectos de una simetría inicial (la simetría electrodébil), que se rompe espontáneamente de forma parcial.

simetria higgs

De las cuatro componentes que, como decíamos antes, posee el campo de Higgs, tres son tragadas por los bosones W+, W− y Z. Y la cuarta es el bosón de Higgs, que tal vez se acaba de descubrir en el LHC. Como vemos, el mecanismo de Higgs no es solo necesario para entender por qué las partículas tienen masa, sino para entender la estructura misma de las interacciones débiles y electromagnéticas. Por ello, ocupa un lugar central en la estructura del Modelo Estándar.

Comparte este artículo

Deja un comentario

10 + 16 =