(Aparentemente) encontramos el bosón de Higgs. Ahora, donde diablos hicieron venir desde? | El quid
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Amir D. Aczel has been closely associated with CERN and particle physics for a number of years and often consults on statistical issues relating to physics. He is also the author of 18 popular books on mathematics and science, and has been awarded both Guggenheim Foundation and Sloan Foundation fellowships. Many thanks to Steven Weinberg of the University of Texas at Austin and to Barton Zwiebach of MIT for their helpful comments.

Readers of this blog have probably heard the standard fare about how the Higgs boson “gives mass” to everything in the universe, probably with some kind of analogy, like the one about a famous person walking through a crowded room, pulled every which way by admiring crowds, and that these connections “make the person massive“—as the Higgs field does with particles. Now that we finally seemed to have pinned down the elusive particle, I want to explain where the Higgs came from and what it does. While our understanding of the particle comes from some complicated math, the formulas actually tell a fascinating story, which I’ll recount in this post. All you need to keep in mind is that in the modern understanding of physics, categories aren’t as starkly separate as you might think: particles can be represented as waves or fields, and a force can also be viewed as a particle or a field.
So, a fraction of a second after the Big Bang, the universe had four kinds of “photons” floating around—the usual photon of light, and three other massless particles that “look” and act just like the photon. We label them: W+, W-, and Z. They are bosons, meaning carriers of force, as is the usual photon.
At the Big Bang, the universe also had one, unified, mighty force called the Superforce ruling it. But a tiny fraction of a second before the era I am talking about, the Superforce began to break down, successively “shedding off” part of itself to make the force of gravity, and another part of itself to make the strong nuclear force, which later would be active inside the nuclei of all matter, holding quarks inside protons and neutrons once these composite particles came into being. The two forces, gravity and the strong force—important as they are—do not enter our main story today.
The remnant we have of the Superforce at the time we are talking about, a tiny fraction of a second after the Big Bang, has three forces of nature held together inside it: electricity, magnetism, and something called the weak nuclear force, which later would be responsible for beta decay, a form of radioactivity. You may remember from a physics course that “electromagnetism” unifies electricity and magnetism, as Maxwell taught us over a century ago. But, during the era I am talking about, there are really three linked forces: electro-magnetic-weak; all three are held together as the electroweak force that remained from the Superforce after it had shed off gravity and the strong force.*
In addition to the remnant of the Superforce that included the unified electroweak forces (and the four associated particles: photon, two Ws, and one Z), there is also something that permeates the fledgling cosmos—a strange field: something like the magnetic field around a bar magnet or the Earth, or like the gravitational field around massive objects. But unlike them, it doesn’t have an associated direction (such as toward the North Pole, or the center of the Earth); that is, it’s a scalar field, not a vector field. Today we call that mysterious entity the Higgs field.
The Higgs field is actually comprised of two complex-valued fields linked together. What does this mean? A complex field looks like a plane with imaginary numbers (multiples of i, the square-root of -1) along the vertical axis, and the usual numbers along the horizontal x axis. Now imagine two such fields. You need a bit of imagination to “see” this: think of 2 pieces of paper at right angles to one another, each labeled up-down by i and left-right by x. (But be aware that this is a kind of visual “cheating”: we are trying to discern a four-dimensional space within the three dimensions we are stuck in, which isn’t literally possible.) So there are really four Higgs particles, each one of them associated with a particular direction of the two complex fields. Thus each of the four spatial directions i,i,x,x, is also a particle.
Now, this four-dimensional Higgs field interacts with the electroweak field, meaning with the three forces, electro-magnetic-weak, and their associated four bosons: the photon of the electromagnetic field and the two Ws and one Z of the weak nuclear field. Imagine this interaction of the two complex Higgs fields with the field of the electroweak force as a further cosmic blast that follows the Big Bang: Here, the 4-Higgs field described above “collides” with the electroweak field, and bam! This cataclysmic event forces three of the Higgses to become absorbed by three of the electroweak bosons, still acting like photons—the W+, the W-, and the Z. As a result of this “collision” the three bosons stop being photon-like and “gain weight” from “eating” one Higgs each. (This is how the physicist Barton Zwiebach of MIT describes this defining event.) This cosmic merger of three Higgs particles with two Ws and one Z still leaves one Higgs free and left over for us to discover (as, indeed, was just announced by CERN on July 4th!), and one still-massless boson of the old electroweak force: the usual photon, the particle (and wave) of light we all know and love—which somehow missed its chance to eat the last remaining Higgs and thus gain its own weight! If it had, we wouldn’t be here…the universe would have no light and probably too much radioactivity.
So this is the “Higgs mechanism,”** which gave mass to the two Ws and the Z—which thereafter live inside nuclei of matter, enabling beta decay—and, more importantly, to quarks and the electron. As the universe cools down slightly, it becomes a dense plasma of quarks, called “quark soup,” and some time later, as the cooling trend continues, the quarks come together in threes to make protons and neutrons; these make hydrogen and some helium and lithium nuclei, and electrons start to orbit them to make simple atoms. In some places, hydrogen (and helium and some lithium) gas falls inward, pulled down by the force of gravity, to make stars and galaxies. The rest of the elements of the universe, with higher atomic numbers and weights, will all be “cooked” in fusion reactions inside the stars.
But how did the electrons and quarks that make up all the matter in the universe (for technical reasons, perhaps except for neutrinos) get their mass? That we still don’t know. But once we understand how the Ws and the Z gain their mass from their interaction with the Higgs field, we assume that we also know how mass in general is created: through the same “Higgs mechanism,” and that this primeval cosmic event shortly after the Big Bang has thus created the mass of the universe: electrons, quarks, stars, galaxies, planets, trees, animals, and us.***
So how did the Higgs itself get its mass?—we now know from the discovery just announced at CERN that the Higgs has a mass of about 125 GeV (about 1 1/2 times the mass of the Ws and the Z). The answer may surprise you: The Higgs gives itself mass!
Why did physicists think up such a weird particle decades before they saw any evidence of it? Where did all these ideas come from? The answer is: pure mathematics! Ever since Galileo said: “The book of nature is written in the language of mathematics,” physics and mathematics have been coming together. The announcement last week showed once again that physicists’ mathematical maneuvers aren’t just navel-gazing but a powerful way of building theories and predicting as-yet unseen aspects of the world.
* The fact of the unification of these three forces of nature in the very early universe was proved by Steven Weinberg in his Nobel Prize work of 1967, in which he also predicted the existence of the Z particle and was even able to estimate the masses of the two Ws (whose existence had been proposed earlier) and the Z to amazing accuracy–as was confirmed when the three particles were dramatically discovered at CERN in 1983 by teams headed by Carlo Rubbia; hints of Weinberg’s Z had already been glimpsed in a neutrino experiment in a bubble chamber called Gargamelle, also at CERN, in 1973. Electoweak unification had also been explained, from different angles, by Sheldon Glashow and by Abdus Salam, who shared the 1979 Nobel Prize with Weinberg.
** This particle, field, and mechanism bear just Peter Higgs’ name, but our understanding really comes from the work of six different physicists: Higgs; Robert Brout and Francois Englert; and Tom Kibble, Gerald Guralnik, and Carl Hagen, who wrote three papers, all in 1964, in which they presented work that could imply the existence of a particle (and field, and mechanism) that somehow later took its name from Peter Higgs exclusively.
*** The above story is all about what is called the “Standard Model Higgs.” It’s the “plain vanilla” kind of Higgs boson that completes the Standard Model of particle physics, a theory that has been developed over the last half-century and has enjoyed immense success in explaining much about particles and forces. But there are possibly more “exotic” Higgs particles, implied to exist by more complicated theories such as supersymmetry. So far, however, there is no solid evidence from experiments at CERN or elsewhere that this or other complex theories “beyond the standard model” are true.
July 9th, 2012 Tags: CERN, Higgs boson, Higgs field, LHC, mass, particle physicsby Amir Aczel in Physics & Space, Top Posts | 23 comments | RSS feed | Trackback >
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Animar a los físicos en Maguncia y todo el mundo el descubrimiento de la partícula de Higgs
El misterio del origen de la materia parece haber sido resuelto. A mediados de la semana pasada, el CERN, la Organización Europea de Investigación Nuclear en Ginebra, anunció el descubrimiento de una nueva partícula que podría ser el tiempo buscado bosón de Higgs. La partícula tiene una masa de unos 126 gigaelectron volts (GeV), aproximadamente de 126 protones. “Casi medio siglo transcurrido desde la existencia del bosón de Higgs fue postulada primero y ahora parece que por fin tenemos la evidencia que hemos estado buscando. Lo que hemos encontrado perfectamente se ajusta a los parámetros previstos el bosón de Higgs,”dice el profesor Dr. Volker Büscher de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). El bosón de Higgs es importante nuestra actual teoría fundamental de la física que explica por qué los bloques elementales de la materia tienen una masa en todo. Indicaciones iniciales que los experimentos en el Gran Colisionador de hadrones (LHC) iban a llevar a un avance fueron documentados en diciembre de 2011. “Desde entonces nos hemos corroborado la señal grabada, y los nuevos datos demuestran con un alto nivel de significancia de la presencia de una partícula de Higgs-como en la región de lo que esperábamos, explica Büscher.
La nueva evidencia proviene de un enorme gran volumen de datos que ha sido más que duplicado desde diciembre de 2011. Según el CERN, el LHC recoge más datos en los meses entre abril y junio de 2012 que en todo el 2011. Además, la eficiencia ha mejorado a tal punto que ahora es mucho más fácil filtrar eventos de Higgs-como de las varias colisiones de partículas de 100 millones que se producen cada segundo.
Los datos analizados por el Atlas, al que el grupo de trabajo Experimental de partículas y física de astropartículas (ETAP) de Maguncia hizo una contribución significativa, encontraron un exceso de partículas de Higgs-como en todos los Estados finales estudiados. “El análisis de los nuevos datos rápido y cuidado aún requiere un fuerte compromiso en las últimas semanas y meses, y por eso nos sentimos especialmente orgullosos de poder anunciar un hallazgo tan emocionante,” dice el Dr. Christian Schmitt, del grupo de trabajo de ETAP. Al mismo tiempo, el segundo detector de partículas grandes del LHC, el solenoide compacto de muones (CMS), registran eventos consistentes con los de ATLAS y que coinciden precisamente la huella de los postulados bosón de Higgs. “Han estado trabajando en este momento por años y se sorprendió de que el LHC y sus experimentos han producido tales resultados en sólo dos años después de la primera colisión de protones,” afirma profesor Dr. Stefan Tapprogge, del grupo de trabajo de ETAP.
La existencia del bosón de Higgs fue predicha en 1964 y en honor al físico británico Peter Higgs. Es la última pieza del rompecabezas que ha estado desaparecido desde el modelo estándar de la física y su función es darle su masa a otras partículas elementales. Según la teoría, el llamado campo de Higgs se extiende a lo largo de todo el universo. La masa de las partículas elementales individuales se determina por el grado en que interactúan con los bosones de Higgs. “El descubrimiento del bosón de Higgs representa un hito en la exploración de las interacciones fundamentales de partículas elementales,” afirma el profesor Dr. Matthias Neubert, profesor de física teórica de partículas elementales y portavoz para el clúster de excelencia PRISMA en JGU. Por un lado, la partícula de Higgs es el último componente que faltan en el modelo estándar de física de partículas. Por otro lado, los físicos se esfuerzan por comprender la masa detectada el bosón de Higgs. “Según nuestra teoría actual, la masa del bosón de Higgs sólo puede explicarse como el resultado de una puesta a punto aleatorio de las constantes físicas del universo a un nivel de precisión de uno en 1000 trillones,” explica Neubert.
Así, los físicos esperan que la “nueva física” proporcionará una explicación más sencilla para las características del bosón de Higgs que deriva el actual modelo estándar. Esta nueva física se necesitaba desesperadamente para encontrar soluciones a una serie de problemas aún no resueltos, como actualmente que se explica sólo el universo visible, que constituye sólo el cuatro por ciento de la materia total. “El modelo estándar no tiene ninguna explicación para la llamada materia oscura, por lo que no se describe todo el universo, hay mucho queda por ser entendido”, resume Büscher.
el 4 de julio Higgs actualización | Varianza cósmica
@ JW Mason
Creo que la mayoría de esas cosas de Internet es “celebridades tienen un tiempo más difícil moverse a través de los paparazzi de Higgs” o “la producción de b-jet asociada para el Higgs ligero debe ser visible para valores de tan(beta) > 50 en el LHC en el MSSM debido en parte a degeneración masiva entre las variantes neutrales. También, bosones de Goldstone.” Por lo tanto, voy a intentar resumir aquí.
Todas las partículas fundamentales debería ser sin masa bajo el modelo estándar de Higgs-menos. De hecho es cierto que una partícula fundamental aislada en reposo deberían tener masa 0 sin introducir algún mecanismo de Higgs-like. En un vacío lejos de campos, la energía potencial de una partícula dada debería ser 0, y así (por equivalencia masa energía) su masa debe ser 0. Se podría decir, bien todas las partículas simplemente llevan esta cosa llamada masa y shove it en sus ecuaciones. Lamentablemente, si haces esto, terminas con resultados dementes como la probabilidad de que dos bosones w dispersión fuera otro ser mayor que 1. El Higgs es también la causa de la simetría electrodébil, que era un rompecabezas que equivale a “por qué los bosones débiles, W y Z, tan masiva, mientras que el fotón es masa, pero todos los tres bosones es parte de la misma fuerza electrodébil”.
La forma consistente sólo de añadir masa es un campo con cero expectativa de vacío (es decir, no hay fuentes cercanas, el medio de la nada, aun así el potencial con respecto a este campo para una partícula que se siente es > 0). Esto significa que todas las partículas de llevan algo de energía en virtud de sentir siempre este campo potencial de (excepto, por supuesto, las partículas sin masa como el fotón que no lo siento en absoluto, como una partícula neutral en un campo eléctrico).
El Higgs es simplemente la cuántica de este campo, como el fotón de electromagnetismo, su firma directa y la forma sólo accesible de confirmar su existencia.
El Higgs es una pieza fundamental de muchas extensiones del modelo estándar propuesto. Por ejemplo, si hay no 5 Higgs (5 cosas que hacen cosas similares a lo que hace el SM Higgs,) supersimetría, llamado bastante la extensión más popular, está en serios problemas.
Si el Higgs no es precisamente lo que espera que el modelo estándar (all * las otras partículas descubiertas han sido hasta ahora buen decepcionantemente) entonces es un poderoso indicio para cómo el modelo estándar es incorrecto.
El Higgs también permite mediciones directas de las masas de partículas. Básicamente, más a menudo un Higgs decae a un par de partículas o interactúa con una partícula, más fuertemente las partículas sentir su campo y por lo tanto más masiva son. Es extremadamente difícil medir masas de los quarks, ya que nunca puede obtener fuera de sistemas interactúan entre sí (hadrones) donde la masa total es mucho mayor que la de los quarks debido a las energías de interacción y las energías cinéticas de los quarks (no se puede medir masa fácilmente si todo está siempre en movimiento). Así, obtenemos una excelente idea de lo que, dicen, down quark masa es mirando cómo fuertemente el Higgs interactúa con quarks abajo. Esto es importante para entender exactamente lo que la masas escalas son para las partículas fundamentales, por lo que podemos intentar averiguar por qué son lo que son (una ecuación, cualquier ecuación, que reproduce les sería un gran primer paso).
El Higgs también sería confirmar que de hecho pueden existir partículas de espín 0 fundamentales (una partícula de espín-0 es uno cuya función de onda no tiene ningún momento angular intrínseco… lo siento, realmente no hay mejor forma de decir que… no puede girar sobre un eje como la diaria rotación de la tierra). Partículas de espín 0 son kinda icky, porque requieren una gran cantidad de ajuste fino para evitar que sus masas apagarse hasta el infinito (esto está relacionado con la ickiness de renormalización).
Por último, el Higgs con la masa (ojalá!), hace 125 GeV, permite que las predicciones del modelo estándar sea válido en cualquier energía razonable. Si eran más pesado, sabríamos que el modelo estándar en algún momento, si le tiran dos partículas juntos lo suficiente, se rompe y se convierte en absurdo.
* Excepto neutrinos en algún grado. El modelo estándar se piensa son sin masa, pero en realidad sus masas son simplemente muy, muy cercano a cero.
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Higgs progreso | Varianza cósmica
por Sean Carroll
El Gran Colisionador de hadrones ha sido tarareando a lo largo de este año, recogiendo unos 5 femtobarns inversas de datos, similar a lo que tenía todo el año pasado, a una energía ligeramente superior (8 TeV vs 7 TeV). Por supuesto el año pasado nos fuimos tratados a tentadoras sugerencias de un bosón de Higgs con una masa de unos 125 GeV, por lo que es natural preguntar si esa evidencia ha sido constante a acumular. Respuestas deben ser próximas a principios de julio en la Conferencia Internacional de física de altas energías en Melbourne, donde las conversaciones están programadas desde CMS y ATLAS.
Yo creo, dado el poco tiempo disponible, que cada colaboración puede actualizar nosotros sobre los resultados de la ejecución de este año hasta la fecha, pero probablemente tendrá más tiempo para combinar los resultados de los dos experimentos, así como combinar con datos del año pasado. (Combinación de resultados suena sencilla, pero es realmente muy sutil, debido a distintos tipos de efectos sistemáticos para los experimentos diferentes, o incluso el mismo experimento en diferentes energías). Presumiblemente, eso significa que nosotros podemos acumular nuevas pruebas para el Higgs, pero sería sorprendente si fueron realmente capaces de anunciar un descubrimiento. También me ha dicho que el análisis de los datos de este año hasta la fecha ha sido “ciego”, es decir, añaden un desvío secreto a los datos reales para que todos los de la resta de reducción y de fondo pueden realizarse sin prejuicios, y sólo entonces “Abra el cuadro” y ver lo que están diciendo los datos reales. Si esto es cierto, literalmente nadie en el mundo sabe ahora lo que el LHC ha hecho estado viendo, en cuanto a la Higgs. Pero nos encontraremos antes demasiado largo.
11 De junio de 2012 9:06 AMen ciencia, puestos arriba | 1 comentarios | Feed RSS | Trackback >
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