Rompimiento Espontaneo de la Simetría y el Mecanismo de Higgs

Del Fenómeno Colectivo de la Superconductividad a la Física de Partículas

        (rompimiento simetria Artículo completo )

El rompimiento espontaneo de la simetría ocupa un lugar central en el entendimiento del modelo estándar de partículas. La génesis de esta teoría, proveniente de los fenómenos colectivos, es revisada, así como las bases conceptuales del modelo: la simetría gauge, los campos de Yang-Mills y la aparición de términos masivos.


1.    Antecedentes

La comprensión de la Interacción nuclear débil juega un papel fundamental en la estructura del Modelo Estándar. No fue hasta 1967 que dos prestigiosos investigadores, Steven Weinberg de Harvard y Abdus Salam del Imperial College de Londres propusieron un Lagrangiano que sintetizaba esta interacción con la Electromagnética bajo una construcción de Yang-Mills.

La teoría de Yang-Mills es una generalización de la Teoría de Mawell del Electromagnetismo en la cual se asume una Invariancia de Gauge Local.  Resultado de esta teoría se obtienen, aparte del foton convencional, tres clases de fotones no masivos, uno de ellos más o menos un fotón normal  y los otros dos cargados eléctricamente, uno con carga positiva y otro con carga negativa. El conocimiento experimental del alcance extremadamente corto de estas interacciones, hacía suponer que las partículas mediadoras sean muy pesadas.

  1. 2.    Bases Conceptuales

Las Teorías de Yang-Mills funcionan bellamente para los casos de la interacción nuclear fuerte y para el electromagnetismo.

La adición de términos masivos en el Lagrangiano destruye la invariancia Gauge y la renormalizabilidad de la teoría. A razón de obtener una teoría renormalizable es esencial introducir las masas por un mecanismo que preserve la invariancia Gauge en el Lagrangiano

La solución es propuesta desde un área de la física muy diferente: La Física del Estado Solido para materiales a bajas temperaturas.

El fenómeno de la Superconductividad consiste en el hecho que la resistencia que presenta un material al paso de una corriente se hace cero. Una característica de este estado es que el material no admite la mínima diferencia de potencial eléctrico, porque esta seria inmediatamente neutralizada.

El material tampoco admite la creación de Campos Magnéticos pues esta esta asociada a una corriente eléctrica inducida, que al no encontrar resistencia neutralizaría completamente el campo magnético.

Los superconductores y la teoría débil describen dos mundos diferentes pero comparten las mismas matemáticas, ambos describen campos de Gauge.

La causa de la superconductividad fue descubierta por Cooper, Schrieffer y Bardeen. Los electrones de un material deben poseer al mismo tiempo dos condiciones

  • Apareamiento: Condición por la cual los electrones actúan en pares y la fuerza que los mantiene unidos es producida por los fonones.
  • Condensación de Bose Einstein: Ocurre cuando una gran cantidad de bosones son atraídos entre si a razón de obtener un estado de energía menor a la que poseían separados.

El rasgo característico de la teoría es que el estado fundamental de un superconductor se encuentra separado por una brecha de los  estados excitados, lo que ha sido confirmada experimentalmente. La brecha es causada por el hecho de que la interacción atractiva del fonón entre los electrones produce pares de electrones correlacionados con impulsos opuestos cerca  la superficie de Fermi, y se necesita una cantidad finita de energía para romper la correlación.

Fue Higgs quien se dio cuenta que la superconductividad podría ser usada en la física de partículas. Propuso un modelo donde partículas eléctricamente cargadas, con espín cero, sufrían una condensación de Bose.

La simetría y la ruptura espontanea de la simetría
a)Sistema simétrico estable
b)Sistema con solución asimétrica

 

El potencial del sistema debería ser elegido de tal manera que se ahorrara más energía llenando el vacío con estas partículas que dejándolo vacio.

Estas partículas son las partículas de Higgs, que generan el campo de Higgs que tiene la peculiaridad (a diferencia del campo electromagnético por ejemplo) que su energía es mínima cuando el campo tiene cierta intensidad y no cuando es nulo (el espacio vacio esta lleno de partículas de Higgs, o sea ha sufrido una condensación de Bose).

En esta configuración, los fotones poseen cierta masa sin perder la simetría gauge ni la renormalizabilidad. Se dice que la simetría se ha roto espontáneamente…

Para seguir leyendo… rompimiento simetria

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