Mecanismo de Higgs y ruptura de la simetría electrodébil

El mecanismo de Higgs explica cómo la simetría de gauge electrodébil se rompe espontáneamente, dando masa a los bosones W y Z y a los fermiones, mientras que el fotón permanece sin masa.

Definition

El mecanismo de Higgs es el proceso por el cual un campo escalar con un valor esperado en el vacío no nulo rompe espontáneamente la simetría electrodébil SU(2)_L x U(1)_Y, dando masa a los bosones W y Z y, a través de los acoplamientos de Yukawa, a los fermiones cargados, mientras que deja una partícula escalar observable conocida como el bosón de Higgs.

Scope

Este tema abarca la ruptura espontánea de la simetría aplicada a una teoría de gauge, el papel del campo escalar de Higgs y su valor esperado en el vacío no nulo, y la generación resultante de masas de bosones de gauge y fermiones. Trata la predicción y el descubrimiento en 2012 del bosón de Higgs, los acoplamientos de Yukawa que establecen las masas de los fermiones, y la forma en que el mecanismo preserva la renormalizabilidad y la invariancia de gauge de la teoría electrodébil.

Core questions

• ¿Cómo pueden los bosones de gauge adquirir masa sin romper explícitamente la invariancia de gauge?
• ¿Cuál es el significado físico del valor esperado en el vacío del campo de Higgs?
• ¿Cómo traducen los acoplamientos de Yukawa el campo de Higgs en masas de fermiones?
• ¿Qué implica la masa medida del bosón de Higgs para la estabilidad del vacío electrodébil?

Key concepts

• Ruptura espontánea de la simetría
• Campo de Higgs y valor esperado en el vacío
• Bosones de Goldstone y polarización longitudinal
• Generación de masa de los bosones W y Z
• Acoplamientos de Yukawa y masas de fermiones
• El bosón de Higgs

Key theories

Ruptura espontánea de la simetría de gauge

Cuando un campo escalar adquiere un valor esperado en el vacío no nulo, la simetría de gauge se oculta en lugar de estar ausente, y los bosones de Goldstone potenciales son absorbidos para dar a los bosones de gauge polarizaciones longitudinales y masa.

Generación de masas de fermiones por Yukawa

Las masas de los fermiones surgen de los acoplamientos de Yukawa invariantes de gauge entre los campos fermiónicos y el campo de Higgs, de modo que el mismo valor esperado en el vacío que da masa a los bosones también establece las masas de los quarks y los leptones cargados.

Mechanisms

En el lagrangiano electrodébil, un doblete escalar complejo tiene un potencial cuyo mínimo se encuentra alejado del campo cero, por lo que el campo se asienta en un valor esperado en el vacío no nulo. Al expandirse alrededor de este mínimo, tres de los cuatro grados de libertad escalares se convierten en los modos longitudinales de los bosones W y Z, proporcionando su masa, mientras que la excitación radial restante es el bosón de Higgs físico; el fotón permanece sin masa porque la U(1) electromagnética no rota sobrevive.

Clinical relevance

El descubrimiento del bosón de Higgs por los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones en 2012 confirmó el último ingrediente faltante del Modelo Estándar, y las mediciones en curso de sus acoplamientos prueban si la partícula observada se comporta exactamente como predice el Modelo Estándar o sugiere nueva física.

History

El mecanismo fue propuesto independientemente en 1964 por Englert y Brout, por Higgs, y por Guralnik, Hagen y Kibble, demostrando que los bosones de gauge podían adquirir masa a través de la ruptura espontánea de la simetría. Weinberg y Salam lo incorporaron a la teoría electrodébil más tarde en la década, y el bosón escalar predicho fue finalmente observado en el CERN en 2012, lo que llevó al Premio Nobel de 2013 para Englert y Higgs.

Key figures

• Peter Higgs
• Francois Englert
• Robert Brout
• Steven Weinberg

Seminal works

• higgs1964
• eng04brout1964
• atlas2012

Frequently asked questions

¿El campo de Higgs da masa a todas las partículas?

Da masa a los bosones W y Z y a los fermiones elementales a través de sus acoplamientos, pero la mayor parte de la masa de la materia ordinaria proviene en realidad de la energía de enlace de los quarks y gluones dentro de los protones y neutrones, no directamente del campo de Higgs.

¿Es el bosón de Higgs lo mismo que el campo de Higgs?

No. El campo de Higgs impregna todo el espacio y es responsable de la ruptura de la simetría, mientras que el bosón de Higgs es la excitación cuantificada observable de ese campo detectada en el LHC.