Un documento muy somero que hace referencia a la física de partículas, basado principalmente en el texto citado de Baumann

1. Cazando al bos´on de Higgs y comprendiendo el origen de la masa
Fernando Estrada Salgado
2 de diciembre de 2013
Resumen
En este documento se presenta una introducci´on no tan profunda al bos´on de Higgs, se empieza por
establecer los conceptos te´oricos fundamentales que sirven de apoyo para el descubrimiento del campo de
Higgs (algo de historia, modelo est´andar, diagramas de Feynman, QED y QCD). Despu´es se describe a
grandes rasgos el trabajo experimental que implica descubrir o trazar las trayectorias de las part´ıculas en
las colisiones (m´etodos para producir part´ıculas elementales y de detecci´on de las mismas). Por ´ultimo se
hace una breve explicaci´on del mecanismo de Higgs y como es que le otorga masa a las part´ıculas, adem´as
de destacar la parte experimental de su descubrimiento por el LHC en el CERN y uno de sus actuales
hallazgos
1. Introducci´on a la f´ısica de
part´ıculas
1.1. Una breve historia de las part´ıcu-
las elementales (quarks)
Hace muchos a˜nos, algunos hombres (los fil´osofos
griegos) se preguntaban ¿De qu´e est´a hecha la mate-
ria? Y en su intento por responder a esta duda dieron
origen a un t´ermino que a´un prevalece en nuestros
d´ıas, ellos consideraban que el ´ATOMO era la parte
fundamental de toda la materia, algo indivisible que
de alguna manera crea las propiedades de las cosas
que nos rodean.
Hasta principios del siglo XX la idea de que el ´ato-
mo era indivisible a´un era v´alida, sin embargo los
f´ısicos de aquella ´epoca empezaron a revolucionar la
forma en que se ve´ıa al Universo y descubrieron que
el ´atomo tiene una estructura (esto es que se divide
en partes m´as peque˜nas) y por tanto no es el consti-
tuyente fundamental de la materia.
Figura 1: Esquema ilustrativo de la estructura del ´atomo
Ahora sabemos que el ´atomo est´a compuesto de
una nube de electrones que rodea a un n´ucleo consti-
tuido por protones y neutrones y que a su vez ´estos
est´an hechos de quarks. A ´estas ´ultimas se les deno-
mina part´ıculas elementales, ¿Y por qu´e elementa-
les? Porque son los constituyentes fundamentales de
la materia y esto quiere decir que no se dividen en
otras part´ıculas.
Nosotros estamos hechos de quarks, as´ı como tam-
bi´en un ´arbol, una pelota, el planeta, el Sol, las
otras estrellas, los agujeros negros, etc. Y comprender
el comportamiento de las part´ıculas elementales nos
permitir´a jugar con el Universo, por eso es que ahora
los f´ısicos est´an interesados por conocerlas mejor.
1

2. 1.2. ¿Qu´e se hace en la f´ısica de
part´ıculas?
La pregunta principal que da origen a esta rama
de la F´ısica es ¿De qu´e est´a hecha la materia? Aho-
ra bien, en nuestros d´ıas es un hecho notable que a
niveles subat´omicos la materia consiste de diminutos
pedazos con espacios vac´ıos entre ´estos. Y tambi´en
es notable que ´estos pedazos vienen en una canti-
dad peque˜na de diferentes tipos (electrones, neutro-
nes, protones, pi mesones, neutrinos y algunos m´as)
y no podemos etiquetar a un solo electr´on con un
n´umero de identificaci´on o pintar una marca que lo
distinga del resto de electrones; es m´as si has visto
a un electr´on los has visto a todos. Esta cualidad de
absoluta identificaci´on no tiene analog´ıa en el mundo
macrosc´opico (En la mec´anica cu´antica, esto se refleja
por el principio de exclusi´on de Pauli). Esto simplifi-
ca enormemente la tarea de la f´ısica de las part´ıculas
elementales: No debemos preocuparnos por los elec-
trones grandes o los peque˜nos, por los electrones vie-
jos o los nuevos. Un electr´on es un electr´on y no m´as.
Una vez que se han establecido los diferentes ti-
pos de part´ıculas elementales la pregunta que aho-
ra se debe responder es ¿C´omo interaccionan estas
part´ıculas? La respuesta viene de los resultados ex-
perimentales que se derivan b´asicamente de tres fuen-
tes: (1) Eventos de dispersi´on, en los que se dispara
una part´ıcula hacia otra y se graba (por un instan-
te) el ´angulo de desviaci´on; (2) decaimientos, en los
que una part´ıcula se desintegra espont´aneamente y
se observan sus escombros; (3) estados ligados, en los
que dos o m´as part´ıculas est´an entrelazadas y se estu-
dian las propiedades del objeto compuesto. Esto no
es una tarea trivial y por otro lado lo que se hace
te´oricamente es establecer un modelo que explique y
describa la forma de interacci´on entre las part´ıculas
para despu´es compararlo con los datos experimenta-
les.
La formulaci´on de un modelo est´a guiada por cier-
tas reglas generales. En particular, la relatividad es-
pecial y la mec´anica cu´antica, en la figura 2 se indican
los cuatro campos de la mec´anica.
Figura 2: Cuadro que muestra los cuatro campos de la
mec´anica
El mundo cotidiano se rige por la mec´anica cl´asica,
pero para objetos que viajan a velocidades cercanas
a c las leyes cl´asicas son modificadas por la relativi-
dad especial y por otro lado para objetos peque˜n´ısi-
mos la mec´anica cl´asica se sustituye por la mec´anica
cu´antica, por ´ultimo para objetos peque˜n´ısimos que
viajan muy r´apido se incorpora la teor´ıa cu´antica de
campos. Ahora bien, las part´ıculas elementales son
diminutas y generalmente viajan muy r´apido por lo
que su investigaci´on cae dentro de la teor´ıa cu´antica
de campos.
Otra gran diferencia entre las reglas cl´asicas y ´estas
nuevas es que en el ´area de la teor´ıa cu´antica de cam-
pos nos encontramos con la posibilidad de estudiar
part´ıculas que no tienen masa (esto es que su masa
es igual a 0), un concepto que no es posible lograrlo
desde la perspectiva de la mec´anica cl´asica y con del
cual se hablar´a m´as adelante.
En los ´ultimos a˜nos una teor´ıa ha emergido pa-
ra describir todo el conocimiento de las interaccio-
nes entre part´ıculas elementales, excepto la grave-
dad (puesto que la gravedad es muy d´ebil para ju-
gar un papel significante en los procesos ordinarios
entre las part´ıculas). Esta teor´ıa (o m´as exactamen-
te conjunto de teor´ıas relacionadas que incorpora a
la electrodin´amica cu´antica, la teor´ıa de Glashow-
Weinberg-Salam de los procesos electrod´ebiles y la
cromodin´amica cu´antica) ha llegado para ser llama-
da MODELO EST´ANDAR, lo que ilustra la confian-
za de los f´ısicos en la teor´ıa.[1]
2

3. 2. El modelo est´andar
2.1. Sobre la materia y una nueva ta-
bla peri´odica
Ya hemos visto que hace aproximadamente un siglo
se demostr´o que el ´atomo era algo divisible y tambi´en
hablamos de su estructura. Ahora nos enfocaremos en
los constituyentes de los protones y los neutrones (los
quarks). Hay dos tipos diferentes de quarks (q), por
falta de imaginaci´on se llaman up (u) y down (d).
El prot´on contiene dos quarks up y un quark down
p = (uud)
y el neutr´on contiene dos quarks down y un quark
up
n = (ddu)
As´ı que hemos reducido los 110 elementos de la ta-
bla peri´odica a tres part´ıculas elementales: dos quarks
y un electr´on. De hecho, hay una part´ıcula adicional
que deber´ıamos agregar a esta tabla llamada electr´on-
neutrino1
(νe). ´Esta part´ıcula no vive dentro del ´ato-
mo, pero es posible crearla mediante procesos contro-
lados en el laboratorio.
Figura 3: En este cuadro se muestran las primeras cua-
tro part´ıculas elementales que est´an relacionadas con la
materia
Cuatro es un n´umero bastante agradable, sin em-
bargo la naturaleza hizo algo muy raro y uno no sabe
1No se profundizar´a en los temas referentes al descubrimien-
to de esta part´ıcula.
la raz´on de eso. La naturaleza repiti´o este patr´on dos
veces m´as. Y ´estas copias tienen exactamente las mis-
mas propiedades que las primeras (misma carga y las
mismas propiedades bajo otras fuerzas), pero difieren
en sus masas.
Figura 4: ´Este cuadro es la extensi´on del anterior, don-
de se pueden observar las otras dos generaciones de las
part´ıculas elementales de la materia. Es necesario hacer
notar las diferencias entre las masas
¿Por qu´e sucede esto? No tenemos absolutamente
idea. No cambiar´ıa mucho si este no fuera el caso.
En particular, las masas parecen ser m´as bien aleato-
rias ¿Por qu´e son as´ı? ¿Por qu´e estos n´umeros? ¿Por
qu´e es la contribuci´on en la raz´on de masas down/up
relativa a las otras? De hecho, ´esta es una de las con-
tribuciones m´as importantes en la ciencia. S´ı las ma-
sas fueran diferentes los neutrones no podr´ıan decaer
en protones (lo que es necesario) y s´ı la raz´on de ma-
sas down/up fuera invertida los protones decaer´ıan
en neutrones, el n´ucleo del ´atomo ser´ıa inestable y
el Universo como lo conocemos no existir´ıa, de hecho
no habr´ıa vida y nosotros no existir´ıamos. Entonces
est´a es una propiedad importante, pero ¿Vale la pena
responder a esa pregunta o es uno de esos accidentes
maravillosos que s´olo tenemos que aceptar?[2]
2.2. Las cuatro interacciones que unen
a todo
Las part´ıculas del modelo est´andar interaccionan
entre ellas por cuatro interacciones (fuerzas) funda-
mentales
1. Interacci´on electromagn´etica. ´Esta es la fuerza
encargada de que un pedazo de madera no pue-
da ser atravesado f´acilmente con nuestras manos.
3

4. ´Esto se debe a que los electrones que constitu-
yen a este material se repelen con los de nuestra
mano, as´ı mismo es como nosotros no atravesa-
mos la corteza terrestre y caemos directamente
en el n´ucleo de la Tierra.
2. Interacci´on nuclear fuerte. Los n´ucleos at´omicos
de elementos pesados consisten de una gran can-
tidad de protones y neutrones, pero los protones
tienen carga positiva ¿Qu´e mantiene al n´ucleo
unido? Es esta interacci´on que act´ua entre los
protones y los neutrones para vencer a la repul-
si´on el´ectrica.
3. Interacci´on nuclear d´ebil. Como se mencion´o an-
tes, los neutrones decaen en protones ¿Qu´e in-
teracci´on provoca este decaimiento? Esta inter-
acci´on es la responsable.
4. Interacci´on gravitacional. Todos estamos fami-
liarizados con la gravedad. La gravedad es la in-
teracci´on m´as d´ebil de las cuatro, podemos verlo
al levantar un clip que se encuentra sobre una
mesa solamente con la ayuda de un im´an, evi-
dentemente la gravedad ha sido vencida por un
im´an. En la f´ısica de part´ıculas esta interacci´on
no cobra mucha importancia y s´olo lo hace cuan-
do se combinan varias part´ıculas para formar
planetas, estrellas, etc. Y en la actualidad no se
sabe porqu´e es muy d´ebil.[3]
2.3. De part´ıculas y campos
De acuerdo al modelo est´andar la materia debe ser
discreta, esto es que est´a hecha de bloques de cons-
trucci´on fundamentales (las part´ıculas).
Sin embargo, en las ´ultimas d´ecadas se ha nota-
do que las part´ıculas y los ´atomos no son los blo-
ques de construcci´on fundamentales. En cambio, son
los campos. Uno de los avances principales del siglo
XX fue que hay un tipo diferente de campo para ca-
da part´ıcula. Un campo de electr´on, algunos campos
de los quarks, y as´ı. Lo que pasas es que estas ondu-
laciones consiguen atarse en nudos por virtud de la
mec´anica cu´antica. Son ´estas ondulaciones en el es-
pacio y sus nudos lo que percibimos como part´ıculas.
[4]
2.4. De las fuerzas a las simetr´ıas
As´ı como hay campos para la materia, tambi´en hay
campos para las fuerzas. Por un instante, podemos
describir a la fuerza electromagn´etica como la combi-
naci´on de los campos el´ectrico y magn´etico, E y B.
´Esto se puede unificar en un s´olo cuadri-vector2
, el
vector potencial,
Aµ =




A
A0
A1
A2




Las ondas de este campo son ondas de luz. La
mec´anica cu´antica nos dice que estas ondas de luz
est´an hechas de part´ıculas llamadas fotones (γ).
Las dos fuerzas nucleares trabajan de la misma ma-
nera y hay campos an´alogos al el´ectrico y magn´etico,
as´ı mismo para el vector potencial. Excepto que en
este caso cada componente del vector es en s´ı mismo
una matriz (·).
Aµ =




A
A0
A1
A2



 =




a0(·)
a1(·)
a2(·)
a3(·)




donde las amplitudes aµ ∈ R.
Para reproducir las propiedades de la fuerza nu-
clear d´ebil las componentes deben ser matrices del
tipo3
SU(2) (es decir matrices unitarias 2×2 con de-
terminante uno) ¿Cu´antas matrices hay de ese tipo?
Tres (las matrices de Pauli). En consecuencia hay tres
vectores potenciales diferentes asociados a la fuerza
d´ebil y por lo tanto tres part´ıculas de fuerza
W+
, W−
, Z0
conocidos como los bosones d´ebiles.
¿Sobre qu´e act´uan las matrices SU(2) del cam-
po d´ebil? ´Estas matrices tiene que ser vectores de
dos componentes hechos de part´ıculas de materia del
2Para saber m´as de ´estas relaciones se recomienda leer sobre
electrodin´amica y relatividad.
3Para saber m´as sobre estas matrices se recomienda apren-
der la teor´ıa de grupos.
4

5. modelo est´andar. Observando la figura 3 resulta ob-
vio adivinar que sus componentes son las parejas de
quarks y por otro lado el electr´on con el neutrino
Q =
u
d
L =
e
νe
Las matrices SU(2) en efecto act´uan sobre estos
vectores (el decaimiento del quark down en el quark
up sucede cuando el neutr´on decae en prot´on y puede
ser pensado como una rotaci´on!).
De manera similar la fuerza nuclear fuerte est´a aso-
ciada con matrices del tipo SU(3) (matrices unitarias
3 × 3 con determinante uno) ¿Cu´antas matrices hay
de ese tipo? Ocho (las matrices de Gell-Mann). En
consecuencias hay ocho part´ıculas para esta fuerza
g1 , g2 , . . . , g8
conocidos como gluones.
¿Sobre qu´e act´uan las matrices SU(3) del campo
fuerte? La fuerza fuerte s´olo act´ua sobre los quarks,
as´ı que estamos buscando vectores de tres compo-
nentes que tengan a los quarks como sus entradas. Y
ahora observando la figura 3 no es obvio encontrar las
combinaciones que se nos piden. En su lugar tenemos
que postular que cada quark viene en tres sabores
rojo, azul, verde
esta propiedad de los quarks es llamada carga de
color y la teor´ıa que lo describe es llamada cromo-
din´amica cu´antica (QCD). Por lo que ahora tenemos
los siguientes arreglos para los quarks up y down
u =


uR
uB
uG

 d =


dR
dB
dG


Las matrices SU(3) act´uan sobre estas part´ıculas
y no sobre los leptones.
Por ´ultimo la fuerza electromagn´etica est´a asocia-
da con matrices del tipo U(1) (con n´umeros comple-
jos de norma unitaria). Hay una sola matriz y por lo
tanto un s´olo fot´on. En resumen, las fuerzas del mo-
delo est´andar est´an determinadas por las matrices (o
grupo de simetr´ıas)
U(1) × S(2) × S(3)
Ahora la tabla de la figura 4 se extiende de la si-
guiente manera [5]
Figura 5: El modelo est´andar de las part´ıculas elementa-
les con los bosones de gauge en el lado derecho
En la figura 5 se pueden ver los diferentes tipos
de part´ıculas elementales. ´Estas se dividen principal-
mente por bosones (part´ıculas con esp´ın entero y fun-
ciones de onda sim´etricas4
que obedecen la estad´ıstica
de Bose-Einstein) y los fermiones (part´ıculas de esp´ın
semi-entero y funciones de onda anti-sim´etricas que
obedecen la estad´ıstica de Fermi-Dirac) y dentro de
los fermiones se encuentran los quarks y los leptones;
dentro de los quarks se encuentran los hadrones que
se agrupan en dos familias los mesones (esp´ın entero)
y los bariones (esp´ın semi-entero). ´Este es el modelo
est´andar.
3. De las part´ıculas virtuales a
las fuerzas de la naturaleza
3.1. Principio de indeterminaci´on de
Heisenberg
´Este principio establece la imposibilidad de que de-
terminados pares de magnitudes f´ısicas sean medidos
con exactitud. As´ı pues no es posible medir con la
4Para saber m´as al respecto se recomienda consultar los
temas de la ecuaci´on de onda de Schr¨odinger y el operador de
paridad
5

6. misma exactitud el momento o la posici´on de una
part´ıcula, o tambi´en el otro par tiempo y energ´ıa.
Matem´aticamente es conveniente expresarlo como
∆E · ∆t ≥ /2
3.2. Diagramas de Feynman
Feynman ha introducido una manera ordenada pa-
ra representar los procesos en el espacio-tiempo. Aho-
ra se llaman diagramas de Feynman.
Consideremos dos electrones que se aproximan uno
a otro a una velocidad constante, en alg´un instante t1,
uno de ´estos emite un fot´on virtual. Para conservar
el momento el electr´on tiene que retroceder y por
otra parte, de acuerdo al principio de indeterminaci´on
de Heisenberg, el fot´on virtual debe ser absorbido en
∆t < /2∆E. Sin embargo, en este tiempo, en lugar
de que el primer electr´on absorba al fot´on, el segundo
electr´on puede absorberlo.
Figura 6: Representaci´on del intercambio de un fot´on en
la interacci´on de dos electrones
Siempre que esto sucede de alguna manera la
energ´ıa total de los dos electrones antes y despu´es
del estado intermedio es la misma, ninguna regla de
la f´ısica cu´antica es violada. El segundo electr´on re-
trocede a la derecha debido al momento que recoge
del fot´on. De los diagramas de Feynman del proceso
parece como si las part´ıculas se repelen una de otra.
Por lo que en la mec´anica cu´antica se puede pensar
que la fuerza electromagn´etica entre dos electrones
se deriva de la absorci´on del intercambio de fotones
virtuales. [6]
3.3. Electrodin´amica cu´antica
El intercambio del fot´on puede suceder m´as de una
vez.
Figura 7: Representaci´on de varios intercambios de foto-
nes en la interacci´on de dos electrones
Adem´as, durante la trayectoria, el fot´on puede con-
vertirse en un par de electr´on-positr´on y regresar.
Figura 8: Representaci´on de la conversi´on del fot´on du-
rante su trayectoria en un par electr´on-positr´on durante
la interacci´on de dos electrones
La mec´anica cu´antica asocia una amplitud de pro-
babilidad a cada uno de estos diagramas. Sin embar-
go, resulta que en la electrodin´amica cu´antica (QED)
el diagrama m´as complicado es el menos probable.
As´ı que para una buena aproximaci´on nos quedare-
mos con el intercambio de un solo fot´on. [7]
3.4. Cromodin´amica cu´antica
La interacci´on nuclear fuerte s´olo act´ua sobre los
quarks y para estudiarla con mayor facilidad pode-
mos otra vez dibujar los diagramas de Feynman para
representar la interacci´on entre dos quarks como el
intercambio de gluones.
6

7. Figura 9: Representaci´on del intercambio de un solo
glu´on entre dos quarks
Ahora bien, hay algunas diferencias cruciales en-
tre los fotones y los gluones. Primero, hay un solo
fot´on, pero hay ocho gluones. Segundo, las matri-
ces de los gluones pueden interaccionar entre estas,
mientras que el fot´on (n´umero) no puede. Por lo que
nosotros podemos tener diagramas muy complicados
como el de la figura 10.
Figura 10: Representaci´on del intercambio de gluones en-
tre quarks, ´este es el caso m´as probable en la QCD
Y m´as importante a´un en la cromodin´amica cu´anti-
ca (QCD) el diagrama m´as complicado es el m´as pro-
bable! Esto significa que el m´etodo de los diagramas
de Feynman en QCD se vuelve in´util. A diferencia
de QED, en QCD no se pueden dibujar diagramas
simples y conseguir una buena aproximaci´on a la res-
puesta exacta.
Nadie ha visto un quark libre. En lugar de eso, los
quarks vienen en parejas o tr´ıos y se resisten a ser
separados. En contraste con las dos part´ıculas carga-
das el´ectricamente separadas, el campo el´ectrico en-
tre estas disminuye r´apidamente, permitiendo (por
ejemplo) a los electrones convertirse de una forma no
consolidada a un n´ucleo at´omico. Sin embargo, para
dos quarks separados, los gluones interactivos forman
tubos estrechos (o cuerdas) que tienden a traer a los
quarks juntos como si fueran alguna clase de banda
el´astica. Las simulaciones por computadora en efecto
confirman esto.
Figura 11: Simulaci´on de un campo de glu´on que atrae
a los quarks para permanecer juntos
´Esta es una ligera diferencia con la carga el´ectrica.
La fuerza entre dos quarks no disminuye cuando son
separadas, de hecho ´esta incrementa con la distancia.
La raz´on de esto, es que se tomar´ıa una cantidad in-
finita de energ´ıa para separar dos quarks; ´estos siem-
pre est´an ligados a los protones y los neutrones. ´Este
fen´omeno se llama confinamiento. Probar el confina-
miento a partir de las ecuaciones de la cromodin´amica
cu´antica es uno de los problemas abiertos m´as impor-
tantes de la f´ısica te´orica y las matem´aticas. [8]
4. De las part´ıculas en el papel
a las part´ıculas en la natura-
leza
4.1. ¿C´omo producir part´ıculas ele-
mentales?
Para producir part´ıculas elementales se puede ha-
cer uso de alguna de las siguientes fuentes:
7

8. Rayos c´osmicos. La tierra est´a siendo bom-
bardeada constantemente con part´ıculas de altas
energ´ıas que vienen desde alg´un lugar en el espacio
exterior. Las fuentes de estas part´ıculas guardan algo
de misterio. A alguna velocidad, cuando ´estas golpean
´atomos en la atm´osfera superior producen duchas de
part´ıculas secundarias (mayormente muones, a lo lar-
go del tiempo que tardan en llegar a la superficie) que
caen sobre nosotros. Como una fuente de part´ıculas
elementales, los rayos c´osmicos tienen dos ventajas:
Son libres y sus energ´ıas son enormes (mucho mayo-
res que las que se pueden producir en los laboratorios
actualmente). Pero tienen dos grandes desventajas: la
velocidad con la que pegan en un detector de tama˜no
razonable es muy baja y la otra es que son comple-
tamente incontrolables. Por lo que los experimentos
con rayos c´osmicos hacen un llamado a la paciencia
y suerte del investigador.
Reactores nucleares. Cuando un n´ucleo radio-
activo se desintegra puede emitir una variedad de
part´ıculas. Neutrones, neutrinos y los que suelen lla-
marse rayos alfa (de hecho part´ıculas alfa, que son
estados ligados de dos protones m´as dos neutrones),
rayos beta (electrones y positrones) y rayos gamma
(fotones).
Aceleradores de part´ıculas. Podemos empezar
con protones o electrones, acelerarlos a altas energ´ıas
y aplastarlos en un objetivo. Por h´abiles arreglos de
detectores e imanes podemos separarlos de los es-
combros resultantes de las part´ıculas que deseamos
estudiar. En nuestros d´ıas es posible, siguiendo este
camino, generar haces secundarios intensos de posi-
trones, muones, piones, kaones y anti-protones. Las
part´ıculas estables (electrones, protones, positrones
y anti-protones)pueden ser incluso alimentados en
enormes anillos de almacenamiento en los que, guia-
dos por imanes poderosos, ´estas circulan a grandes
velocidades durante horas para ser extra´ıdos y usa-
dos en el momento requerido.
En general, entre m´as pesada sea la part´ıcula que
queramos producir la energ´ıa de la colisi´on debe ser
mayor. Resulta que una part´ıcula gana enormemente
en energ´ıa si se colisionan dos part´ıculas que viajan a
grandes velocidades de frente. Opuestas para disparar
una part´ıcula a un objetivo estacionario. En conse-
cuencia los experimentos contempor´aneos involucran
haces que chocan desde anillos de almacenamiento
que se intersecan, as´ı s´ı las part´ıculas se pierden un
primer choque pueden intentarlo otra vez en la si-
guiente vuelta. En efecto, los electrones y positrones
(protones y anti-protones) pueden ser utilizados en el
mismo anillo, con las cargas positivas circulando en
una direcci´on y las negativas en la otra.
Otra raz´on para trabajar en altas energ´ıas se debe a
que de manera general; entre mayor sea la energ´ıa de
la colisi´on, m´as cerca se estar´an dos part´ıculas, una a
la otra. Esto se debe al principio de incerteza o inde-
terminaci´on de Heisenberg, pues para hacer ∆x m´as
peque˜no se requiere que ∆p sea mayor. O tambi´en se
puede concluir que para probar distancias peque˜nas
se necesitan altas energ´ıas.[9]
4.2. ¿C´omo detectar part´ıculas ele-
mentales?
Hay muchas clases de detectores de part´ıculas,
c´amaras de niebla, contadores de Cerenkov, cente-
lladores, fotomult´ımetros, y muchos m´as. De hecho
un t´ıpico detector moderno consta de un conjunto de
arreglos de estos dispositivos conectados a una super-
computadora que rastrea a las part´ıculas y muestra
sus trayectorias en la pantalla de un televisor. La ma-
yor´ıa de los mecanismos se conf´ıan sobre el hecho de
que cuando las part´ıculas cargadas a altas energ´ıas
ionizan los ´atomos a lo largo de su trayectoria. Los
iones entonces act´uan como semillas para la forma-
ci´on de gotas (en la c´amara de niebla), burbujas (en
la c´amara de burbujas) o chispas (en la c´amara de
chispas).
Pero las part´ıculas neutras no causan ionizaci´on y
no pueden ser rastreadas. En una imagen de la c´ama-
ra de burbujas, como la que se muestra en la figura 12,
se puede observar detalladamente la trayectoria de las
part´ıculas cargadas, sin embargo por un instante las
cargas neutrales parecen invisibles, sus trayectorias
son trazadas al analizar las trayectorias de las otras
part´ıculas e involucrando las leyes de conservaci´on de
la energ´ıa y momento en cada v´ertice.
Como se puede observar la mayor´ıa de las trayec-
torias son curvas. Evidentemente la c´amara de bur-
bujas se coloca dentro de un gran im´an, en un campo
magn´etico B una part´ıcula con carga q y momento p
8

9. puede moverse en un c´ırculo de radio R dado por la
famosa f´ormulas del ciclotr´on R = pc/qB, donde c es
la magnitud de la velocidad de la luz. Por lo que la
curvatura nos permite obtener de una manera simple
el momento de la part´ıcula. Por otro lado, se puede
establecer inmediatamente el signo de la carga por la
curvatura de la trayectoria.[10]
Figura 12: Visualizaci´on de las trayectorias de las
part´ıculas en la c´amara de burbujas, donde se puede ver
que la mayor´ıa de estas son curvas y las cargas neutras
parecen invisibles
5. El bos´on de Higgs
En muchos aspectos los portadores de la interac-
ci´on d´ebil, W y Z, son como el fot´on de la interacci´on
electromagn´etica. Sin embargo hay una importante
diferencia entre estos, las part´ıculas W y Z tienen
mayor masa que el fot´on. la raz´on por la que los bo-
sones d´ebiles son muy masivos es la misma por la
que las otras part´ıculas del modelo est´andar lo son:
El campo Higgs (h)
5.1. Una analog´ıa del mecanismo de
Higgs
Explicaremos el mecanismo con una analog´ıa popu-
lar sobre este. Imaginemos un cuarto lleno de f´ısicos
que est´an platicando con sus vecinos m´as cercanos, lo
que corresponde al espacio llenado por el campo de
Higgs.
Cuando un f´ısico famoso entra en la habitaci´on, los
f´ısicos se acercan m´as a ´el, rode´andolo por completo
y haciendo que ´el avance lentamente.
El campo de Higgs se distorsiona localmente siem-
pre que una part´ıculas se mueva a trav´es de ´este.
Ahora consideremos que un rumor se empieza a
difundir en todo nuestro cuarto y los f´ısicos empie-
zan a agruparse m´as cerca a sus vecinos para poder
escuchar sobre el rumor. Una onda de agrupaci´on pa-
sa a trav´es de la habitaci´on. Ya que la informaci´on
est´a siendo cargada por los grupos de personas y ya
que esto fue una agrupaci´on que dio masa extra al f´ısi-
co famoso, entonces los grupos portadores del rumor
tambi´en tienen masa. As´ı que la part´ıcula de Higgs
es como una agrupaci´on en el campo de Higgs. [11]
5.2. El mecanismo de Higgs m´as
all´a de las caricaturas
En los principios del Universo, el valor del campo
de Higgs fue cero en todos lados. Todas las part´ıculas
del modelo est´andar en consecuencia no ten´ıan masa
y viajaban a la velocidad de la luz. Como el Universo
se est´a expandiendo y enfriando todo, en alg´un punto
cr´ıtico se enfr´ıo lo suficiente para condensar al campo
de Higgs. Y como ´este campo ya ten´ıa un valor cons-
tante a lo largo de todo el espacio, las part´ıculas que
interaccionaran con el campo empezar´ıan a adquirir
masa.
Algunas part´ıculas no tienen masa (fotones, gluo-
nes y gravitones). La trayectoria m´as probable entre
dos puntos que describir´ıan ser´ıa una simple l´ınea rec-
ta.
Figura 13: Trayectoria recta de una part´ıcula que no in-
teracciona con el campo de Higgs
Una part´ıcula de luz (electrones) tiene la peque˜na
probabilidad de interaccionar con el campo de Higgs
y esta interacci´on la desv´ıa.
9

10. Figura 14: Trayectoria desviada ligeramente por el cam-
po de Higgs de una part´ıcula con poca masa
Una part´ıcula pesada (bosones W y Z) es m´as pro-
bable que interaccione con el campo de Higgs y en
consecuencia sufra m´as desviaciones.
Figura 15: Trayectoria en zig-zag de una part´ıcula masiva
Todas las part´ıculas del modelo est´andar adquieren
su masa de esta manera (por la interacci´on con este
campo). Part´ıculas diferentes consiguen atascarse en
el campo de Higgs condensado por diferentes canti-
dades. Pero ¿Por qu´e? ¿Qu´e da lugar a esta vasta
diferencia en las masas? A´un no se sabe.
Ahora bien, para todo campo hay una part´ıcula,
en este caso es el bos´on de Higgs. Es m´as f´acil pensar
que el campo de Higgs existe y por tanto las part´ıcu-
las adquieren su masa por el mecanismo descrito. La
b´usqueda del bos´on de Higgs ha ocupado los trabajos
de investigaci´on experimental en la f´ısica de part´ıcu-
las de las ´ultimas d´ecadas. El a˜no pasado los f´ısicos
experimentales la encontraron![12]
5.3. El descubrimiento del bos´on de
Higgs
El LHC es un magn´ıfico experimento que acelera
protones y anti-protones en una anillo que est´a por
debajo de la superficie terrestre. Un n´umero de ace-
leradores aumenta la energ´ıa de las part´ıculas hasta
alcanzar velocidades cercanas a las de la luz (energ´ıa
cercanas a 14 eV). Las part´ıculas son guiadas dentro
del anillo por un campo magn´etico fuerte, provoca-
do por electromagnetos superconductores. ´Estos son
construidos por bobinas de un cable especial que tra-
baja en estados superconductores, ´esto requiere en-
friar los imanes alrededor de 2 K.
Figura 16: Fotograf´ıa a´erea del LHC en el CERN don-
de se pueden visualizar las ubicaciones de los diferentes
experimentos que se llevan a cabo
Las part´ıculas colisionan en dos lugares en los
que se encuentran dos detectores enormes (llamados
ATLAS y CMS) que se encargan de grabar las trayec-
torias de los escombros o detectan nuevos. Alrededor
de 600 millones de colisiones ocurren por segundo, lo
que resulta en 10 Petabyte de datos al a˜no.
Figura 17: El experimento ATLAS
El 4 de julio del 2012, ATLAS y CMS anunciaron
el descubrimiento de una part´ıcula similar al bos´on
de Higgs con una masa de 133 veces la del prot´on.
10

11. Figura 18: Gr´afica de masa-sigma para el descubrimiento
de la part´ıcula similar al bos´on de Higgs
Ahora sabemos que esto es el bos´on de Higgs,
lo que completa nuestra tabla peri´odica del modelo
est´andar.[13]
Figura 19: Modelo est´andar de las part´ıculas elementales
5.4. Recientemente
El 8 de octubre de 2013 el parlamento de ciencias
de Suecia anuncia que le otorga el premio Nobel a dos
f´ısicos te´oricos, Peter W. Higgs y Francois Englert,
por su contribuci´on en la comprensi´on de la f´ısica de
part´ıculas al teorizar el mecanismo de Higgs.
El 26 de noviembre de 2013, el experimento ATLAS
obtuvo evidencia de que el bos´on de Higgs decae en
fermiones, lo que representa un punto m´as a favor
del modelo est´andar que predec´ıa este tipo de decai-
miento. El LHC volver´a a correr en el a˜no 2015 y
se esperan obtener m´as resultados sobre el bos´on de
Higgs y logar una mayor comprensi´on del Universo.
Figura 20: Relaci´on para la comprobaci´on experimental
de que el bos´on de Higgs decaes en fermiones
6. Bibliograf´ıa
1. Griffiths D.J., Introduction to elementary parti-
cles. Primera Edici´on. Editorial John Wiley &
Sons, Inc. 1987. P´aginas 1-4
2. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´aginas 45-47
3. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´agina 47
4. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´agina 48
5. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´aginas 48-50
6. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´aginas 51-52
7. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´agina 52
11

12. 8. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´aginas 53-54
9. Griffiths D.J., Introduction to elementary parti-
cles. Primera Edici´on. Editorial John Wiley &
Sons, Inc. 1987. P´aginas 4-7
10. Griffiths D.J., Introduction to elementary parti-
cles. Primera Edici´on. Editorial John Wiley &
Sons, Inc. 1987. P´aginas 7-8
11. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´aginas 55-57
12. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´agina 57
13. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012. P´aginas 58-60
7. Cr´editos a las im´agenes
1. No hay cr´editos
2. Griffiths D.J., Introduction to elementary parti-
cles. Primera Edici´on. Editorial John Wiley &
Sons, Inc. 1987.
3. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
4. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
5. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
6. No hay cr´editos
7. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
8. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
9. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
10. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
11. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
12. No hay cr´editos
13. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
14. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
15. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
16. Laboratorio LHC en el CERN
17. Laboratorio LHC en el CERN
18. Experimento ATLAS del LHC en el CERN
19. Baumann D., Concepts in theoretical physics.
Correo: dbaumman@damtp.cam.ac.uk, Cam-
bridge, Reino Unido: 2012.
20. Experimento ATLAS del LHC en el CERN
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