Esas maravillosas partículas – 15/22 – El bosón de Higgs

Si quieres leer sobre la confirmación de la existencia del Higgs, puedes hacerlo aquí, pero la verdad es que yo leería este artículo antes de seguir con aquél, aunque sea menos noticioso.

Hoy terminamos con la última partícula interesante del Modelo Estándar que nos queda por ver en la serie Esas maravillosas partículas (esto no quiere decir que la serie acabe, por cierto). Ya dijimos en el artículo anterior de la serie, el del gluón, que habíamos acabado de recorrer todas las partículas que hemos observado – la que nos queda por ver hoy es parte del Modelo Estándar, pero nunca ha sido detectada. Hablaremos de la que a veces se llama Partícula de Dios, el bosón de Higgs.

Antes de empezar, un par de avisos pertinentes. En primer lugar, como digo de manera algo repetitiva, si eres físico como yo puedes sufrir intensos deseos de golpear la pantalla de tu ordenador según lees este artículo, debido a las atroces simplificaciones que voy a hacer. Si sucumbes a la tentación y destruyes tu ordenador, El Tamiz no se hace responsable – si quieres leer textos más técnicos, hay muchísimos por la red.

En segundo lugar, querido lector, te pido que tengas paciencia: voy a empezar con algo que no parece tener que ver directamente con esta misteriosa partícula fundamental, pero te aseguro que llegaremos a ella a su debido tiempo, y de manera que entiendas por qué los físicos piensan que puede existir, y por qué algunos rezan secretamente por que exista (y otros por que no exista). La cuestión es que éste es un asunto complejo, y no puedo ir deprisa ni escribir un artículo breve. Por cierto, si no has leído los anteriores artículos de la serie puede que te cueste algo más entender algunos conceptos: tal vez deberías empezar por el principio.

¿Preparado? Vamos allá.

A lo largo de esta serie de artículos hemos descubierto juntos multitud de partículas subatómicas, desde las más cotidianas, como el electrón, hasta las más extrañas como los hiperones. Desde el momento en el que los físicos empezaron a darse cuenta de la gran cantidad de partículas que había, trataron de explicar por qué existen ésas y no otras, a qué se deben las características que tienen, qué simetrías existen (como el hecho de que el electrón tenga carga negativa y el positrón positiva), etc.

Entre 1970 y 1973 se desarrolló lo que denominamos Modelo Estándar de física de partículas. Muchos físicos participaron en el desarrollo, basándose además en numerosas teorías anteriores. El Modelo Estándar es una teoría cuántica de campos, que combina la mecánica cuántica con la teoría especial de la relatividad. Es una teoría compleja, pero que establece una serie de ecuaciones matemáticas que predicen la existencia de un gran número de partículas subatómicas con distintas características y las interacciones entre ellas: analizando las ecuaciones puede concluirse qué partículas existen y cuáles no, y cómo son las que existen.

Todas las partículas que hemos descrito en esta serie hasta hoy son consecuencias inevitables de esta teoría, de ahí que se diga que son partículas “del Modelo Estándar”, y que estemos tan satisfechos con el modelo. Fíjate además en que hemos hablado del fotón, los bosones W y Z y los gluones, de modo que el Modelo Estándar predice la existencia y propiedades de las interacciones fundamentales correspondientes - la eléctromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Es decir, es un modelo muy completo y que describe muy bien el Universo que vemos.

Desde luego, sabemos perfectamente que el Modelo Estándar no es la “teoría final”. Para empezar, en esta serie no hemos hablado una sola vez acerca de la gravedad, ya que el Modelo Estándar no la incluye. Además, aunque no está claro dónde están los límites, parece probable que para energías muy grandes (mucho mayores que las que experimentamos en la vida cotidiana) el Modelo Estándar no es válido. Sin embargo, estas limitaciones son conocidas desde el principio, y el Modelo Estándar es, conscientemente, una teoría parcial.

Sin embargo, antes incluso de que existiera el modelo formalmente, ya se vio un problema teórico bastante irritante. La forma más sencilla del Modelo Estándar que podía proponerse, la que tenía el menor número de suposiciones posibles y la mayor sencillez matemática, era de una gran belleza y coherencia, salvo por un pequeño problema: según la forma sencilla del modelo, todas las partículas deberían tener masa nula y moverse, siempre, a la velocidad de la luz.

Por supuesto, nadie supuso que la “forma simple” del Modelo fuera la correcta. Es evidente que hay muchas partículas que sí tienen masa, y que nunca se mueven a la velocidad de la luz. De hecho, sólo algunas no tienen masa, y son justo ésas las que sí se mueven siempre a la velocidad de la luz. La pregunta inmediata que se hicieron los científicos, naturalmente, fue ¿por qué? Si la versión simple del modelo no funcionaba, es que faltaba algo más: una extensión al modelo, algún tipo de mecanismo por el que pudiera deducirse la existencia de la masa.

La respuesta a este problema fue dada por varios físicos casi al mismo tiempo, en varios equipos y de manera independiente, en 1964. Entre ellos se encuentran Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen, Tom Kibble y Peter Higgs. Sin embargo, en 1971 Gerardus ‘t Hooft denominó al proceso por el que se deduce la existencia de la masa mecanismo de Higgs, y así seguimos llamándolo. No olvidemos, por otro lado, que hubo muchos otros físicos involucrados en el proceso y no es justo olvidarlos, aunque Higgs fuera un paso más allá que los demás (en breve veremos cómo) y por eso su nombre sea el que ha perdurado.

La idea de Higgs y los otros físicos que resolvieron el problema de forma similar fue la siguiente (planteada, por supuesto, sin utilizar fórmulas y de forma simple): supongamos que existe un campo nuevo, como el eléctrico o el magnético pero de una naturaleza diferente, que llena el Universo completo. Da igual que haya cargas, masas o que no las haya – el vacío absoluto no sería realmente vacío, pues este campo hipotético (que llamamos hoy campo de Higgs) estaría en todas partes.

Explicar la naturaleza de este nuevo campo no es fácil. De hecho en 1993 William Waldegrave, Ministro de Ciencia del Reino Unido, lanzó un desafío a los físicos británicos para que tratasen de explicar, en una sola página de texto, qué es el bosón de Higgs y por qué queremos encontrarlo: los cinco ganadores recibirían una botella de champán. El ganador fue David J. Miller, cuya explicación puedes leer aquí.

De modo que voy a realizar una analogía que te ayude a entender de forma relativamente intuitiva cómo es este campo de Higgs: una especie de “traducción” de las ecuaciones que lo definen a una imagen mental, basada en varias de las explicaciones ganadoras del desafío. Eso sí, el concepto es muy abstracto, de modo que te pido que lo pienses despacio y teniendo en cuenta que es una analogía.

El espacio del Universo, según las ecuaciones establecidas por Higgs, es algo así como un campo de hierba alta. Esta “hierba alta” existe en todos y cada uno de sus puntos, y es la “representación mental” del campo de Higgs. Todas las hojas de hierba están dirigidas en la misma dirección, sólo que esta “dirección” no es realmente una dirección en el espacio, sino una dirección conceptual. Digamos, para seguir con nuestra analogía, que la dirección en la que crece esta hierba es “hacia arriba”.

De acuerdo con la mecánica cuántica, no existe distinción entre ondas y partículas: toda onda es partícula y toda partícula es onda. La cuestión es que cada una de las ondas asociadas a las partículas oscilan en una dirección determinada. Una vez más, esta “dirección” no es una dirección física en el espacio tridimensional que vemos, es una “dirección” en ese espacio conceptual que hemos definido antes. Distintos tipos de partículas tienen ondas que oscilan en diferentes direcciones en este espacio imaginario.

Y aquí llega la clave de la cuestión – si la entiendes, comprendes la enorme importancia de este campo de Higgs (si existe, claro): Las partículas cuyas ondas asociadas oscilan en la misma dirección que las “hojas de hierba” pasan a través de la hierba sin notarla en absoluto. Esas partículas se mueven a la máxima velocidad posible: la velocidad de la luz. De acuerdo con la teoría de Higgs, nosotros llamamos a esas partículas “partículas sin masa”. Dicho en términos algo más técnicos, esas partículas no interaccionan con el campo de Higgs, de modo que no lo notan. Es decir, el fotón (por ejemplo) oscila “hacia arriba”, la dirección de la hierba, de modo que se mueve a la velocidad de la luz y no tiene masa.

Otras partículas tienen ondas que oscilan casi en la dirección de la hierba, pero cuando se mueven tienen que apartar algunas de las hojas de hierba (aunque no muchas) al estar ligeramente inclinadas. Al hacerlo, reducen su velocidad: les cuesta más moverse a través del “campo de hierba” que a las partículas anteriores, aunque no mucho más. Estas partículas son las que, en nuestro lenguaje, “tienen poca masa”. Observa cómo, en términos del campo de Higgs, estas partículas tienen masa como consecuencia de interaccionar con el campo de Higgs. Como consecuencia adicional, no pueden moverse a la velocidad de la luz: la hierba se lo impide.

Finalmente, una partícula con mucha masa tiene una onda que oscila en una dirección casi perpendicular a la de las hojas de hierba: al moverse por el espacio, debe apartar casi todas las hojas de la hierba, de modo que (vista “desde fuera”) es una partícula con mucha masa. Lo crucial del asunto es que la “masa” de todas las partículas conocidas es el nombre que damos a la intensidad de su interacción con el campo de Higgs. El propio concepto de “masa” es una forma de referirnos a algo más profundo y fundamental: la interacción mayor o menor de cada partícula con el campo de Higgs.

Cuando Peter Higgs envió su teoría a la Physical Review Letters, parece ser que fue rechazada por no cumplir uno de los requisitos básicos de cualquier nueva teoría: realizar una predicción nueva, verificable mediante la experimentación, que permitiera corroborar o rechazar su teoría. Decir que existe un campo misterioso del que se deduce la masa de forma natural está muy bien, pero es simplemente otra manera de llamar a la masa. ¿Cómo saber si este campo existe realmente o no?

Aquí es donde hace su aparición, por fin, la misteriosa partícula de hoy: puesto que la mecánica cuántica asocia a cada campo (y las ondas que se propagan en él) una partícula, debería haber una partícula asociada al campo de Higgs. Dicho de otra manera: cuando una onda recorre el “campo de hierba” de Higgs haciendo oscilar las hojas de hierba, debe haber una partícula asociada a esa onda, de igual manera que cualquier onda tiene asociada una partícula. Esa partícula asociada al campo de Higgs, que representa la ondulación de las hojas de hierba de igual manera que el fotón representa la ondulación del campo electromagnético, es el bosón de Higgs, propuesto por el físico para cumplir el requisito pedido por Physical Review Letters. Una vez propuesta la nueva partícula, la teoría de Higgs sí era comprobable experimentalmente y fue publicada.

Naturalmente, no basta con afirmar que “existe una partícula asociada al campo”: hace falta dar ciertas características de esa partícula, para poder saber si la observamos o no. Las ecuaciones de Higgs predicen ciertas propiedades de la partícula asociada a su campo, aunque no todas. Por ejemplo, su espín debe ser nulo, con lo que es un bosón (de ahí que se llame bosón de Higgs). Debe tener masa, aunque las ecuaciones no predicen cuánta. No puede tener carga y es su propia antipartícula.

Desde entonces, naturalmente, comprobar que el bosón de Higgs realmente existe ha sido una obsesión de los físicos de partículas: si se ve alguna vez, la teoría de Higgs quedará demostrada (y el Modelo Estándar, que se basa en ella, muy reforzado). Aunque aún no se ha logrado ninguna observación, sí se han realizado experimentos indirectos que nos permiten saber, al menos, en qué intervalo está su masa con cierta precisión. Los físicos están bastante seguros de que su masa debería estar entre la de un átomo de hierro y el triple de la de un átomo de uranio – es decir, es una partícula muy pesada.

Por si te lo estás preguntando, sí, el bosón de Higgs debe tener masa de acuerdo con las ecuaciones del modelo. Lo cual quiere decir que la partícula que proporciona la masa se la proporciona a sí misma: es decir, la dirección de oscilación de la onda asociada a un bosón de Higgs no es paralela a las “hojas de hierba”, contrariamente a lo que podría parecer lógico. Las cosas son así… o, al menos, parecen serlo.

La mayor esperanza de los defensores del Modelo Estándar y el bosón de Higgs se encuentra en el potentísimo LHC, el acelerador de partículas del CERN del que ya hemos hablado en varias ocasiones. El LHC puede acelerar partículas a velocidades tan gigantescas que puedan producir bosones de Higgs, por ejemplo, al chocar un quark top con uno antitop, ambos producidos por la desintegración de gluones:

Parte del problema es que, de acuerdo con las predicciones, el bosón de Higgs es una partícula de gran masa, de modo que hace falta una enorme cantidad de energía para producirlos (de ahí que el futuro LHC pueda conseguirlo). El segundo problema es que no es posible detectarlos directamente: entre otras cosas, se estima que tienen una vida media de unos 0,0000000000000000000001 segundos; pero sí es posible detectar las partículas en las que se desintegran.

Los físicos quieren, pues, calcular cuántas posibles combinaciones de partículas pueden producirse por la desintegración de un bosón de Higgs, y con qué probabilidad se produce cada una de esas combinaciones. Si se detectan esas combinaciones de partículas en el LHC y con una frecuencia similar a las probabilidades predichas, será muy probable que se haya “observado” un bosón de Higgs. Los sensores del LHC registrarán datos a un ritmo de unas 10.000 copias de la Enciclopedia Británica por segundo durante los experimentos, que los científicos analizarán para tratar de descubrir el bosón de Higgs escondido en ellos, si es que está ahí.

Así que puede que la noticia de la detección de esta partícula tan fascinante no sea inmediata, sino que es posible que se anuncien observaciones compatibles con ella, que los científicos vayan calculando probabilidades y combinaciones y, poco a poco, la comunidad científica se vaya convenciendo de que se ha “visto” un bosón de Higgs. También es enteramente posible que no se vea absolutamente nada, que los patrones de partículas producidas en el LHC sean completamente incompatibles con la teoría de Higgs y que haya que buscar otras alternativas (hay físicos que no creen que el campo de Higgs exista). Muy probablemente lo sepamos, en uno u otro sentido, en unos cuantos años… salvo que el LHC destruya la Tierra como dicen algunos (va a ser que no).

Actualización el 4 de julio de 2012: El CERN ha publicado la posible confirmación de la existencia del bosón de Higgs. Como dije al escribir este artículo, se trata de una convicción gradual y cautelosa de que el bosón existe, pero todo tiene muy buena pinta. Puedes leer sobre ello aquí.

Y de una partícula hipotética a otra, sólo que la siguiente ni siquiera es parte del Modelo Estándar: en la próxima entrada de la serie hablaremos del gravitón.

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Pedro Gómez-Esteban González. (2009). El Tamiz. Recuperado de: https://eltamiz.com