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Artículo publicado por Hamish Johnston el 9 de febrero de 2016 en physicsworld.com

Se ha propuesta una nueva forma de medir cómo se acopla el bosón de Higgs a otras partículas fundamentales gracias a un nuevo trabajo de físicos de Francia, Israel y Estados Unidos. Su técnica implicaría comparar los espectros de varios isótopos distintos del mismo átomo para ver cómo la fuerza de Higgs entre los electrones de los átomos y sus núcleos afecta a sus niveles de energía.

El efecto de la fuerza de Higgs es minúsculo, pero los investigadores dicen que la prueba implicaría tecnologías que ya existen, y que algunas de las medidas requeridas ya se han realizado. Las medidas proporcionarían información importante sobre cómo se acopla el Higgs ca electrones y quarks, y complementaría los datos recopilados a partir de la colisiones del LHC en el CERN.

Campo de fuerza del Higgs

Campo de fuerza del Higgs Crédito: Sandbox Studio

Misterios importantes

Tras descubrir el bosón de Higgs en el LHC en 2012, los físicos de partículas ahora quieren comprender cómo se acopla a materia como electrones y quarks. Cualquier desviación respecto del Modelo Estándar en estos acoplamientos podría revelar si el mecanismo de Higgs es el responsable de la masa de los fermiones cargados, incluyendo al electrón. Una nueva forma de medir estas desviaciones es la que ha propuesto Cédric Delaunay de la Universidad de Savoie Mont Blanc, en Francia, Roee Ozeri y Gilad Perez del Instituto Weizmann de Ciencia en Israel y Yotam Soreq del MIT en los Estados Unidos.

De acuerdo con el Modelo Estándar, el acoplamiento de Higgs crea una fuerza atractiva entre el electrón y el núcleo. Esta fuerza decrece rápidamente con la distancia al núcleo, lo que significa que tendrá mucho más efecto sobre los electrones en los orbitales S  (que se solapan con el núcleo) que en los electrones de los orbitales P, D o F (que no se solapan). Las energías de los fotones emitidos cuando se mueve un electrón de un orbital P, D o F a un orbital S sería por tanto mayor que si la fuerza de Higgs no estuviese presente.

Una forma de pensar en esto sería usar distintos isótopos del mismo núcleo. Dado que los isótopos tendrían distinto número de neutrones, la fuerza de Higgs debería ser mayor para aquellos isótopos con más neutrones. Esto llevaría a una diferencia de energía entre la misma transición atómica en distintos isótopos – el desplazamiento de Higgs.

Pensamiento lineal

El problema es que hay otras diferencias isotópicas en los espectros atómicos que son mucho mayores que aquellas relacionadas con la fuerza de Higgs. El desplazamiento de masa (MS) se relaciona con el efecto de las distintas masas de los núcleos isotópicos y el desplazamiento de campo (FS) con la distinta distribución de carga en los distintos isótopos. Aunque el MS y el FS son terriblemente complejos de calcular, existe una relación lineal conocida que vincula los parámetros del FS y el MS con los desplazamientos observados.

La idea del equipo es medir los desplazamientos de dos transiciones distintas en cuatro isótopos del mismo átomo, y mostrar los datos en un “gráfico de King”. Si no existe acoplamiento de Higgs, los datos se representarán mediante una línea recta. Pero si existe el acoplamiento – y se describe mediante el Modelo Estándar – habrá una minúscula desviación respecto a una línea recta. Es probable que esta desviación sea demasiado pequeña como para poder medirla, pero si el acoplamiento de Higgs es mucho mayor de lo predicho por el Modelo Estándar, entonces los investigadores dicen que sería medible usando espectroscopia de última tecnología.

Delaunay y Soreq comentan a physicsworld.com que tal medida podría proporciona información importante a los físicos de partículas que tratan de comprender cómo se acopla el Higgs a quarks y electrones – algo que será difícil de lograr en los datos de colisiones del LHC. “El método que proponemos es un ejemplo – el primero hasta donde sabemos –de cómo experimentos simples pueden darnos información complementaria”, explican. “Esto es importante para comprender mejor el origen de la masa de los bloques básicos de la materia – ¿es el mecanismo de Higgs u otra fuente desconocida?”.

“Una fascinante y nueva aplicación”

“Cualitativamente, sus argumentos tienen sentido”, apunta Andrei Derevianko de la Universidad de Nevada, en Reno. “Sin embargo, se necesita un análisis detallado de la estructura atómica – y claramente ellos son conscientes de esta necesidad – para asegurarse de que el efecto es, efectivamente, tan grande como afirman”.

Marianna Safronova de la Universidad de Delaware también cree que la propuesta podría ser viable, pero señala que un experimento con éxito tendría que distinguir con precisión los efectos de la interacción débil. También está de acuerdo con la conclusión del equipo de que los isótopos de iterbio serían un buen lugar donde buscar el efecto, pero añade que el calcio podría ser otro candidato viable. Dmitry Budker, físico experimental de la Universidad de California, en Berkeley, señala a physicsworld.com que planea colaborar con el equipo para tratar de realizar las medidas. “No está claro qué sistema atómico específico – qué átomos y/o iones – serán los mejores para ello y, por tanto tampoco está claro dónde se realizarán los experimentos. Veo una posibilidad apasionante de realizar potencialmente estas pruebas en un rango de sistemas en distintos laboratorios e instalaciones”.

La propuesta se describe en un borrador en arXiv.

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