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Hemos leído estos días ya varias veces que el LHC espera encontrar al bosón de Higgs, una partícula, la cual, según se nos dice, es responsable de dar masa a la materia. Muchas noticias de prensa han escrito esto, no voy a poner enlaces concretos, pero seguro que cualquiera que ha seguido un poco el tema lo ha leído así.
Ocurre que tal afirmación es básicamente incorrecta. El bosón de Higgs lo que hace es proporcionar masa a las partículas elementales. No obstante, esta masa es sólo una mínima parte de la masa total de la materia. La mayor parte de la masa de la materia viene dada por la dinámica de los quarks en en marco de la cromodinámica cuántica.
Consideremos sólo a los quarks como los principales constituyentes de la masa de la materia. La contribución de la masa del electrón es despreciable. Asumamos que los quarks tienen masa en reposo nula. Esto es, en este caso no nos hace falta el bosón de Higgs para dar masa a los quarks (en los términos de Yukawa). Al estar los quarks y gluones confinados en el protón, la masa en reposo del protón no será nula en este caso, pese a suponer nula la masa en reposo de los quarks, sino que será el equivalente energético de la energía cinética de los quarks y los gluones que se intercambian dentro del protón.
Si consideramos luego de forma más realista que los quarks tienen masa en reposo, proporcionada por el bosón de Higgs, la masa resultante del protón será el equivalente energético de la energía cinética de los quarks y los gluones que se intercambian dentro del protón, más la masa en reposo de los quarks.
La diferencia con el caso anterior es que en este segundo caso la masa es algo mayor, pero sólo en un poco por ciento. En definitiva, el bosón de Higgs da masa a las partículas elementales, pero la masa de la materia es en su mayor parte un resultado de la cromodinámica cuántica en el cuál el Higgs no tiene nada que ver.
Peter Higgs en el LHC
Mitad del premio Nobel de física de este año va a parar a manos de Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa:
for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature
http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2008/
En el modelo estándar de partículas existen tres generaciones diferentes de partículas. Las partículas de dos generaciones diferentes se diferencian sólo en su masa, mientras que el resto de números cuánticos permanecen iguales. Las generaciones más altas tienen masa mayor.
La diferencia en masa las hace comportarse no obstante de formas muy diferentes, posibilitando sobre todo decaimientos de generaciones altas hacia generaciones más bajas, permitidos por la conservación de masa-energía. Por otro lado, el decaimiento de una generación baja a una alta está prohibido precisamente por la conservación de masa-energía. Son las partículas de la primera generación las que dan lugar a la materia observada debido a su estabilidad.
¿Cuál es la razón de que haya tres generaciones y no dos o cuatro?
Estríctamente la razón fundamental para la existencia de tres generaciones es desconocida, pero hace ya más de treinta años los físicos japoneses Kobayashi y Maskawa descubrieron que en el modelo estándar son necesarias al menos tres generaciones de partículas elementales para permitir la violación de la simetría CP (carga y paridad) observada experimentalmente. Esta simetría, a su vez, se la cree responsable, entre otros mecanismos, de la asimetría entre materia y antimateria en el universo.
Ahora bien, tales condiciones sólo exigen un mínimo de tres generaciones y no impiden la existencia de cuatro o más. Una de las razones por las que se cree que no puede haber más de tres generaciones es la vida media del bosón Z. En su decaimiento este tiene contribuciones de todas las generaciones. Por tanto, si existiesen cuatro o más generaciones, la vida media debería ser menor. Griffiths en "Introduction to Elementary Particles" pone aquí muy acertadamente el ejemplo de las enfermedades graves o letales: a mayor cantidad de tales enfermedades posibles, menor la vida media de las personas.
