El Bosón de Higgs es una partícula elemental propuesta en el Modelo Estándar de física de partículas. Su existencia fue postulada en 1964 por Peter Higgs, François Englert y Robert Brout, entre otros, como parte del mecanismo que explica cómo las partículas fundamentales adquieren masa. Este mecanismo implica la existencia de un campo cuántico, conocido como el campo de Higgs, que permea todo el universo.
Las partículas interactúan con este campo de diferentes maneras: mientras más interactúa una partícula con el campo de Higgs, más masa parece tener. Por ejemplo, los fotones no interactúan con el campo y por lo tanto no tienen masa, mientras que los quarks y los leptones sí interactúan y adquieren masa.
La ecuación que describe el potencial del campo de Higgs es:
$$V(\phi) = \mu^2|\phi|^2 + \lambda|\phi|^4$$
Donde $\phi$ es el campo de Higgs, $\mu^2$ es un parámetro de masa al cuadrado, y $\lambda$ es la constante de autointeracción.
El 4 de julio de 2012, científicos del CERN anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula compatible con el bosón de Higgs. Este hallazgo se realizó en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande y potente del mundo, ubicado en la frontera entre Suiza y Francia.
Los experimentos ATLAS y CMS observaron una partícula con una masa alrededor de 125 GeV/c² (gigaelectronvoltios sobre la velocidad de la luz al cuadrado), que es consistente con las predicciones teóricas para el bosón de Higgs. La significancia estadística del descubrimiento fue de 5 sigma, lo que significa que hay menos de una posibilidad en un millón de que el resultado sea un error estadístico.
La probabilidad de producción del bosón de Higgs en colisiones protón-protón puede estimarse con:
$$\sigma(pp \to H) \approx 20 \text{ pb a } \sqrt{s} = 8 \text{ TeV}$$
Donde $\sigma$ es la sección eficaz de producción y $\sqrt{s}$ es la energía en el centro de masa.
El descubrimiento del bosón de Higgs completó el Modelo Estándar de física de partículas, confirmando el mecanismo de Brout-Englert-Higgs como la explicación correcta de cómo las partículas adquieren masa. Sin embargo, también planteó nuevas preguntas sobre la física más allá del Modelo Estándar.
Una de las cuestiones más importantes es el problema de la jerarquía, que pregunta por qué la masa del bosón de Higgs (y por lo tanto la escala electrodébil) es mucho menor que la escala de Planck (la escala fundamental de la gravedad cuántica). Esto sugiere que podría haber nueva física, como supersimetría o dimensiones extras, que aún no hemos descubierto.
La relación entre la masa del Higgs y la escala electrodébil puede expresarse como:
$$m_H^2 = \lambda v^2$$
Donde $v \approx 246$ GeV es el valor esperado del vacío del campo de Higgs.
Aunque el bosón de Higgs es principalmente de interés fundamental, la investigación en física de partículas ha llevado a numerosas aplicaciones tecnológicas:
La ecuación que describe la desintegración del Higgs a dos fotones, importante para su detección, es:
$$\Gamma(H \to \gamma\gamma) = \frac{\alpha^2 m_H^3}{256\pi^3v^2} \left| \sum_f N_c Q_f^2 A_f + A_W \right|^2$$
Donde $\alpha$ es la constante de estructura fina, $N_c$ es el número de colores, $Q_f$ es la carga eléctrica, y $A_f$, $A_W$ son amplitudes de bucle.
«`
