Higgs: La partícula divina

Los físicos la llaman “la partícula de Dios” porque es la pieza que les falta para comprender la estructura de la materia a nivel subatómico. Pero confían en pescarla cuando dentro de poco tiempo se ponga en marcha la máquina más poderosa jamás construida: el LHC.

Después de hacer dieta, sube usted a la báscula con la esperanza de ver una cifra menor que hace unos meses; quiere perder peso, que es el resultado de multiplicar su masa por la aceleración de la gravedad. ¿Y qué determina la masa? Puede parecer una pregunta bizantina, como aquella discusión medieval sobre el sexo de los ángeles, pero a los físicos teóricos esta cuestión les carcome desde hace medio siglo. Por fin han encontrado una respuesta: existe una partícula, llamada bosón de Higgs, responsable del valor de la masa del universo. Los científicos están tan decididos a cazarlo que se están gastando miles de millones de euros en construir un aparato para dar con él. Jamás se ha invertido tanto dinero para encontrar una única partícula.

Los entresijos del átomo siguen guardando secretos

Pero comencemos por el principio. Todos sabemos que la materia está hecha de moléculas, y las moléculas, de átomos. Estos, a su vez, se organizan como una nube de electrones de una cien millonésima de centímetro que rodea a un núcleo 100.000 veces aún más pequeño. El corazón central es un conglomerado de neutrones y protones cuya masa es miles de veces mayor que la de los electrones. Hasta este punto los físicos saben por qué el átomo es como es, pero se les resiste entender por qué las partículas elementales tienen las masas que tienen. Hay muchas y con enormes diferencias entre ellas; la más pesada, el quark top, es 350.000 veces más masiva que el electrón. El problema es de órdago. Los físicos han desarrollado un modelo teórico que describe las partículas elementales y las interacciones entre ellas… pero exige que la masa de todas sea nula. Estos son los puzles que los teóricos adoran.

Las ideas esenciales están en los campos

En 1964 el británico Peter Higgs propuso una elegante solución a esta discrepancia. Supuso que todo el universo está ocupado por un campo parecido al electromagnético. El concepto de “campo”, introducido por el físico inglés Michael Faraday en el siglo XIX, es uno de los más importantes de la física. En el espacio que nos rodea no sólo hay materia. Si pudiéramos sacar de una sala hasta la última mota de polvo y la última molécula de aire, no podríamos decir que allí no queda nada. La prueba palpable es que, si lanzamos una pera, caerá al suelo; hay algo que la hace caer que llamamos “gravedad”. Dicho más correctamente, hay un campo gravitatorio cuya causa es el planeta que tenemos a nuestros pies. Pero no sólo eso. Si lanzamos en línea recta un electrón y analizamos su trayectoria, notaremos que algo modifica su camino. Ese algo sólo influye en las partículas con carga eléctrica; las neutras ni se enteran. Es el campo electromagnético. Su origen es la suma del magnetismo terrestre, los efectos de las antenas, los televisores, el cableado de la casa, los electrodomésticos, etc. En definitiva, una fuerza no es otra cosa que el efecto de un campo; y la materia posee propiedades –como la masa y la carga– que la hacen sensible a los diferentes campos. La propuesta de Higgs fue revolucionaria: existe un campo que llena el espacio, y cuando las partículas interaccionan con él, adquieren masa.

La idea choca con la intuición. ¿No es la masa una propiedad intrínseca de la materia? Para entenderlo, se suele recurrir a un ejemplo: imagine que se encuentra en una fiesta y entra Jessica Alba. Quienes están junto a la puerta se agrupan en torno a ella. A medida que se mueve por la sala los asistentes más cercanos se ven atraídos por la actriz, que se mueve con más dificultad que si estuviera sola, pues todos intentan acaparar su atención. Este efecto de acúmulo es el mecanismo de Higgs.

Mucho más que un número en la báscula

Así funciona la masa, que determina la resistencia de un cuerpo a cambiar su estado de movimiento, la inercia. Su efecto lo notamos todos los días en el autobús: cuando arranca nos vamos hacia atrás y si da un frenazo nos vemos impelidos hacia adelante. Cuanta más masa tengamos, mayor será esa resistencia y por eso la distancia de frenada de nuestro coche con el maletero lleno es más larga que si vamos de vacío. Como dice el teórico Brian Greene, “las fuerzas que todos ejercemos miles de veces al día para cambiar la velocidad de un objeto luchan contra la fricción del océano de Higgs”.

El bosón de Higgs

El bosón de Higgs es una partícula elemental hipotética masiva cuya existencia es predicha por el modelo estándar de la física de partículas. Es la única partícula del modelo estándar que no ha sido observada hasta el momento, pero desempeña un rol importante en la explicación del origen de la masa de otras partículas elementales, en particular la diferencia entre el fotón (sin masa) y los bosones W y Z (relativamente pesados). Las partículas elementales con masa y la diferencia entre la interacción electromagnética (causada por los fotones) y la fuerza débil (causada por los bosones W y Z) son críticos en muchos aspectos de la estructura microscópica (y así macroscópica) de la materia. Con esto, si la partícula existe, el bosón de Higgs tendría un enorme efecto en la física y el mundo de hoy.

Una simulación del detector CMS del Gran Colisionador de Hadrones, mostrando como se prevé que sean las trazas del Bosón de Higgs.Hasta la fecha, ningún experimento ha detectado directamente la existencia del bosón de Higgs. El mecanismo de Higgs, lo que da masa al vector bosón, fue teorizado en 1964 por Peter Higgs, François Englert y Robert Brout que trabajaban en las ideas de Philip Anderson, e independientemente por G. S. Guralnik,C. R. Hagen y T. W. B. Kibble.[1] Higgs propuso que la existencia de una partícula escalar masiva podría ser una prueba de la teoría, un comentario añadido a una carta a Physical Review[2] en la que sugirió en la referencia.[3] Steven Weinberg y Abdus Salam fueron los primeros en aplicar el mecanismo de Higgs a la ruptura espontánea de simetría electrodébil. La teoría electrodébil predice una partícula neutra cuya masa sea no muy lejana de la de los bosones W y Z.

La partícula de Dios

Los bosones de Higgs se denominan a veces, en algunos artículos populares, como las 'Partículas de Dios' o 'Partículas Divinas' a raíz del título de un libro no científico (libro de divulgación científica) escrito por Leon Lederman, laureado con el Nobel en 1988. Esta forma de nombrarlo está muchas veces envuelta con propiedades fantasiosas. En la teoría actual de la partícula sólo se desconoce el valor exacto de su masa (y está por confirmar su existencia).

En la película Solaris de Andréi Tarkovski basándose en la novela homónima del literato polaco Stanisław Lem, se teoriza que los "visitantes" puedan estar formados por bosones de Higgs manipulados por la mente alienígena del océano planetario.

En la película Ángeles y demonios, basada en el libro del mismo nombre (del autor Dan Brown), se menciona al bosón de higgs como "la Partícula de Dios", antes de crear la antimateria capaz de producir demasiada energía. También se menciona el proceso de cómo se crea esta misma.


Responsable de toda la masa del cosmos

Ya estamos en condiciones de responder a la pregunta sobre cómo demostrar la existencia del campo de Higgs: encontrando su partícula portadora, el bosón de Higgs. Desde el CERN de Ginebra y el Fermilab de Chicago, los físicos de partículas llevan dos décadas intentándolo. La búsqueda comenzó en los años 80, cuando se asentó el llamado modelo estándar de la física de partículas. Los teóricos habían conseguido poner orden en el complicado mundo subatómico que estaba surgiendo de los aceleradores de partículas. Se había superado la crisis de los 60, cuando estos inmensos instrumentos ponían en aprietos a los investigadores al producir más y más partículas cada vez que se enchufaban. Pero en 1962 entró en juego el físico Murray Gell-Mann y anunció una forma de agruparlas que llamó “el camino óctuple”, en alusión a la filosofía budista. Su teoría predecía una nueva partícula, la W-, que fue descubierta al año siguiente. Dos años después Gell-Mann lanzaba los quarks al ruedo de las partículas elementales. Los físicos ya eran capaces de responder a la pregunta planteada por los filósofos griegos hacía más de 2.000 años: ¿de qué está hecha la materia?

El marco teórico es el modelo estándar, que podemos resumir así. Existen dos estirpes principales de partículas de materia, quarks y leptones. Hay quarks de seis sabores y se agrupan en tres familias de dos: up –arriba– y down –abajo–; strange –extraño– y charm –encantado–; bottom –valle– y top –cima–. Los leptones también pueden ser de seis sabores: el electrón y su neutrino; el muón y el neutrino muónico, el tau y el neutrino tauónico. Los leptones se pueden encontrar solos en la naturaleza, mientras que los quarks siempre aparecen en parejas o en tríos, y se mantienen unidos mediante los gluones. Son los ladrillos con los que se construyen el resto de las partículas.

Del bosón depende el camino de la física teórica

¿Y si no se diera con ella? El edificio de las partículas elementales, que con tanto cuidado han ido construyendo los científicos durante el último medio siglo, se desplomaría. “El campo de Higgs, el modelo estándar y nuestra imagen de cómo Dios hizo el universo depende de encontrar el bosón de Higgs”, comentó hace más de una década Leon Lederman. Las dos pasiones de los físicos están enfrentadas. Dar con él implicaría que han hecho un buen trabajo y que sus ideas sobre la materia son correctas: sería la demostración del poder de la teoría, del pensamiento puro, para entender el mundo. No encontrarlo les diría que han pasado algo por alto, que sus ideas iban bien pero se torcieron, que hay nuevos misterios que desentrañar. Y para un científico los buenos misterios son la salsa de su vida.