Los investigadores han descubierto una nueva part\u00edcula que es un pariente magn\u00e9tico del bos\u00f3n de Higgs. Mientras que el descubrimiento del bos\u00f3n de Higgs requiri\u00f3 el tremendo poder de aceleraci\u00f3n de part\u00edculas del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), esta part\u00edcula nunca antes vista, denominada bos\u00f3n axial de Higgs, se encontr\u00f3 mediante un experimento que cabr\u00eda en una peque\u00f1a encimera de cocina. Adem\u00e1s de ser el primero por derecho propio, este primo magn\u00e9tico del bos\u00f3n de Higgs \u200a\u2014 \u200ala part\u00edcula responsable de otorgar a otras part\u00edculas su masa \u200a\u2014 \u200apodr\u00eda ser un candidato para la materia oscura, que representa el 85% de la masa total del universo, sino que s\u00f3lo se revela a s\u00ed mismo a trav\u00e9s de la gravedad.<\/p>\n\n\n\n
“Cuando mi estudiante me mostr\u00f3 los datos, pens\u00e9 que deb\u00eda estar equivocada”, dijo a Live Science Kenneth Burch, profesor de f\u00edsica en el Boston College e investigador principal del equipo que hizo el descubrimiento. “No todos los d\u00edas encuentras una nueva part\u00edcula sobre tu mesa”.<\/p>\n\n\n\n
El bos\u00f3n de Higgs axial difiere del bos\u00f3n de Higgs, que fue detectado por primera vez por los detectores ATLAS y CMS en el LHC hace una d\u00e9cada en 2012\u200a, porque tiene un momento magn\u00e9tico, una fuerza u orientaci\u00f3n magn\u00e9tica que crea un campo magn\u00e9tico. Como tal, requiere una teor\u00eda m\u00e1s compleja para describirlo que su primo que otorga masa no magn\u00e9tica.<\/p>\n\n\n\n
En el modelo est\u00e1ndar de f\u00edsica de part\u00edculas, las part\u00edculas emergen de diferentes campos que impregnan el universo, y algunas de estas part\u00edculas dan forma a las fuerzas fundamentales del universo. Por ejemplo, los fotones median el electromagnetismo, y las part\u00edculas pesadas conocidas como bosones W y Z median la fuerza nuclear d\u00e9bil, que gobierna la descomposici\u00f3n nuclear a niveles subat\u00f3micos. Sin embargo, cuando el universo era joven y caliente, el electromagnetismo y la fuerza d\u00e9bil eran una cosa y todas estas part\u00edculas eran casi id\u00e9nticas. A medida que el universo se enfri\u00f3, la fuerza electrod\u00e9bil se dividi\u00f3, lo que provoc\u00f3 que los bosones W y Z ganaran masa y se comportaran de manera muy diferente a los fotones, un proceso que los f\u00edsicos han llamado “ruptura de simetr\u00eda”. Pero, \u00bfc\u00f3mo exactamente estas part\u00edculas mediadoras de fuerzas d\u00e9biles se volvieron tan pesadas?<\/p>\n\n\n\n
Resulta que estas part\u00edculas interactuaron con un campo separado, conocido como campo de Higgs. Las perturbaciones en ese campo dieron lugar al bos\u00f3n de Higgs y dieron su peso a los bosones W y Z.<\/p>\n\n\n\n
El bos\u00f3n de Higgs se produce en la naturaleza cada vez que se rompe tal simetr\u00eda. “Sin embargo, por lo general, solo se rompe una simetr\u00eda a la vez y, por lo tanto, el Higgs solo se describe por su energ\u00eda”, dijo Burch.<\/p>\n\n\n\n
La teor\u00eda detr\u00e1s del bos\u00f3n de Higgs axial es m\u00e1s complicada.<\/p>\n\n\n\n
“En el caso del bos\u00f3n axial de Higgs, parece que m\u00faltiples simetr\u00edas se rompen juntas, lo que lleva a una nueva forma de la teor\u00eda y un modo de Higgs [las oscilaciones espec\u00edficas de un campo cu\u00e1ntico como el campo de Higgs] que requiere m\u00faltiples par\u00e1metros para describirlo: espec\u00edficamente, energ\u00eda y momento magn\u00e9tico”, dijo Burch.<\/p>\n\n\n\n
Burch, quien junto con sus colegas describi\u00f3 el nuevo primo magn\u00e9tico de Higgs en un estudio publicado el mi\u00e9rcoles 8 de junio en la revista Nature, explic\u00f3 que el bos\u00f3n de Higgs original no se acopla directamente con la luz, lo que significa que debe crearse al romper otras part\u00edculas junto con imanes enormes y l\u00e1seres de alta potencia al tiempo que enfr\u00eda las muestras a temperaturas extremadamente fr\u00edas. Es la descomposici\u00f3n de esas part\u00edculas originales en otras que aparecen fugazmente lo que revela la presencia del Higgs.<\/p>\n\n\n\n
El bos\u00f3n axial de Higgs, por otro lado, surgi\u00f3 cuando los materiales cu\u00e1nticos a temperatura ambiente imitaron un conjunto espec\u00edfico de oscilaciones, llamado modo axial de Higgs. Luego, los investigadores utilizaron la dispersi\u00f3n de la luz para observar la part\u00edcula.<\/p>\n\n\n\n
“Encontramos el bos\u00f3n axial de Higgs usando un experimento de \u00f3ptica de mesa que se sienta en una mesa que mide aproximadamente 1 x 1 metros al enfocarnos en un material con una combinaci\u00f3n \u00fanica de propiedades”, continu\u00f3 Burch. “Espec\u00edficamente, usamos tritellurida de tierras raras (RTe3) [un material cu\u00e1ntico con una estructura cristalina altamente en 2D]. Los electrones en RTe3 se autoorganizan en una onda donde la densidad de la carga aumenta o se reduce peri\u00f3dicamente”.<\/p>\n\n\n\n
El tama\u00f1o de estas ondas de densidad de carga, que emergen por encima de la temperatura ambiente, puede modularse con el tiempo, produciendo el modo de Higgs axial. En el nuevo estudio, el equipo cre\u00f3 el modo Higgs axial enviando luz l\u00e1ser de un color al cristal RTe3. La luz se dispers\u00f3 y cambi\u00f3 a un color de menor frecuencia en un proceso conocido como dispersi\u00f3n Raman, y la energ\u00eda perdida durante el cambio de color cre\u00f3 el modo Higgs axial. Luego, el equipo hizo girar el cristal y descubri\u00f3 que el modo axial de Higgs tambi\u00e9n controla el momento angular de los electrones, o “la velocidad a la que se mueven en un c\u00edrculo”, lo que significa que este modo tambi\u00e9n debe ser magn\u00e9tico.<\/p>\n\n\n\n
\u201cOriginalmente, simplemente est\u00e1bamos investigando las propiedades de dispersi\u00f3n de luz de este material. Al examinar cuidadosamente la simetr\u00eda de la respuesta\u200a \u2014\u200a c\u00f3mo difer\u00eda a medida que rotamos la muestra\u200a \u2014\u200a, descubrimos cambios an\u00f3malos que fueron los indicios iniciales de algo nuevo\u201d, explic\u00f3 Burch. “Como tal, es el primer Higgs magn\u00e9tico de este tipo que se descubre e indica que el comportamiento colectivo de los electrones en RTe3 es diferente a cualquier estado visto anteriormente en la naturaleza”.<\/p>\n\n\n\n
Los f\u00edsicos de part\u00edculas hab\u00edan predicho previamente un modo de Higgs axial e incluso lo usaron para explicar la materia oscura, pero esta es la primera vez que se observa. Esta es tambi\u00e9n la primera vez que los cient\u00edficos observan un estado con m\u00faltiples simetr\u00edas rotas.<\/p>\n\n\n\n
La ruptura de simetr\u00eda ocurre cuando un sistema sim\u00e9trico que parece ser el mismo en todas las direcciones se vuelve asim\u00e9trico. La Universidad de Oreg\u00f3n sugiere pensar en esto como si fuera una moneda que gira y tiene dos estados posibles. La moneda finalmente cae sobre su cara o sello, liberando as\u00ed energ\u00eda y volvi\u00e9ndose asim\u00e9trica. El hecho de que esta doble ruptura de la simetr\u00eda todav\u00eda concuerde con las teor\u00edas f\u00edsicas actuales es emocionante, porque podr\u00eda ser una forma de crear part\u00edculas nunca antes vistas que podr\u00edan explicar la materia oscura.<\/p>\n\n\n\n
\u201cLa idea b\u00e1sica es que para explicar la materia oscura se necesita una teor\u00eda consistente con los experimentos de part\u00edculas existentes, pero que produce nuevas part\u00edculas que a\u00fan no se han visto\u201d, dijo Burch.<\/p>\n\n\n\n
Agregar esta ruptura adicional de simetr\u00eda a trav\u00e9s del modo axial de Higgs es una forma de lograrlo, dijo. A pesar de haber sido predicho por los f\u00edsicos, la observaci\u00f3n del bos\u00f3n axial de Higgs fue una sorpresa para el equipo, y pasaron un a\u00f1o intentando verificar sus resultados, dijo Burch.<\/p>\n\n\n\n