¿Qué es el Bosón de Higgs?

¿Qué es el bosón de Higgs? Una partícula elemental de espín cero predicha por el Modelo Estándar Mínimo de las partículas elementales y aún no encontrada. Puede ser neutra o cargada, según los detalles del modelo utilizada (hasta que no se descubra no sabremos cuáles son los detalles correctos).

¿Cómo puede dar masa a otras partículas? Por interacción o choque o scattering o como quieras llamarle. Una partícula sin masa choca de vez en cuando con un Higgs que hace que su velocidad efectiva sea menor que la de la luz, aparentando tener masa. La cantidad de masa depende de lo afín que sea la partícula al Higgs (coeficiente de acoplamiento entre el Higgs y la partícula).

Dicho en otras palabras. Hay, básicamente, dos respuestas posibles que se pueden escribir de muchas formas, a tus preguntas una técnica y la otra popular.

La popular la describe bien el artículo de Xabier Cid y Ramón Cid, “The Higgs particle: a useful analogy for physics classrooms,” Physis Education 45: 73-75, explica el mecanismo de generación de masa de las partícula elementales gracias al bosón de Higgs mediante una analogía física con el índice de refracción: una partícula sin masa que se mueve en el vacío adquire masa porque el vacío está relleno de un campo de Higgs con el que ella interacciona, como si el vacío estuviera lleno de bosones de Higgs y la partícula fuera chocando con bosones de Higgs que la retrasan. El resultado es que la partícula se mueve a una velocidad menor que la velocidad de la luz. Obviamente una explicación para alumnos de secundaria omite muchos detalles técnicos. En mi blog tienes más detalles.

La técnica es que una teoría de campos cuánticas con simetría gauge (exacta) como las que se usan en el modelo estándar de las partículas elementales no puede presentar partículas con masa porque este tipo de términos viola una propiedad importante para realizar cálculos (perturbativos) que se denomina renormalizabilidad. La única manera de introducir este tipo de términos con masa es romper la simetría gauge (se rompe parte de la simetría, no toda, por lo que el resultado es también una teoría gauge pero con menos simetría). En teoría de campos todas las cosas son campos o partículas (dualidad campo-partícula). Esta ruptura de simetría se implementa introduciendo en la teoría un nuevo campo o una nueva partícula (el/los bosón/es de Higgs). El mecanismo es similar a una transición de fase como la que ocurre cuando el agua se congela. El agua líquida tiene simetría rotacional completa. El hielo tiene una simetría rotacional de orden 6 (por eso los cristales de hielo son hexagonales).

Hoy en día nadie sabe calcular cosas en teoría cuántica de campos sin utilizar técnicas perturbativas. Los llamados métodos no perturbativos en realidad son técnicas perturbativas "disfrazadas" (técnicamente "revestidas" o "dressed").

El bosón de Higgs en el Modelo Estándar tiene otra función importante (aparte de dotar de masa a las partículas), quizás más importante aún. El vacío en el Modelo Estándar es inestable a muy alta energía (por ejemplo, se destruye una propiedad técnica llamada unitariedad y se obtienen probabilidades negativas en los cálculos, un sinsentido). La existencia del campos de Higgs evita este gran problema del modelo ya que gracias a él el vacío a alta energía no coincide con el vacío a baja energía y si el mecanismo de Higgs se implementa correctamente se logra que el Modelo Estándar se vuelva metaestable (sigue siendo inestable pero es estable hasta la escala de energías de Planck y el problema se resuelve porque a dicha energía para calcular se necesita una teoría cuántica de la gravedad acoplada al modelo estándar).