8 de octubre de 2013

Atravesando el campo de Higgs

Existen apuestas ganadas antes de formularlas. El premio nobel de física 2013 pertenece a esa clase de apuestas. Hay que felicitar al físico Peter W. Higgs (Universidad de Edimburgo) y el físico belga François Englert (Universidad Libre de Bruselas) por la concesión hoy del premio Nobel de Física 2013. Junto a Robert Brout (fallecido en 2011), llegaron hace medio siglo a la teoría que explica el origen de la masa de las partículas elementales. Los trabajos pioneros de estos tres físicos establecieron en el año 1964 la base teórica de la existencia del bosón de Higgs, partícula que predijeron; una partícula que los físicos trataron de encontrar durante décadas hasta que, a pesar de las enormes dificultades experimentales que conllevaba su detección precisa e inequívoca, en el año 2012 fue identificado por los detectores ATLAS y CMS del CERN, confirmando el modelo estándar y constituyendo uno de los hitos más importantes de la humanidad en el último siglo.


Retrocedamos un poco en el tiempo. Durante el siglo XX, la física superó con creces el modelo clásico del átomo (neutrones, protones y electrones) y comenzó a descubrirse todo un frondoso mundo de partículas subatómicas. El llamado Modelo Estándar intenta describir sus propiedades y es, a día de hoy, la mejor explicación que tenemos sobre el funcionamiento de la materia en su nivel más fundamental. Al ir avanzando en la experimentación, los físicos pusieron su diana en las fuerzas fundamentales del Cosmos. En el Universo existen cuatro de esas fuerzas: el electromagnetismo (cuyo responsable es el fotón), la gravedad, la fuerza nuclear fuerte (que mantiene unido el interior del núcleo de los átomos, causada por el gluón) y la fuerza nuclear débil (que aparece en algunos procesos concretos, por ejemplo en los elementos radioactivos. Sus responsables son los bosones W y Z). Experimentalmente se comprobó que a altas energías la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo se comportaban igual: sus partículas no tenían masa. A altas energías estas dos fuerzas están unificadas en la fuerza electrodébil. No ocurre lo mismo a bajas energías, a energías cotidianas, donde la simetría de la fuerza electrodébil se rompe en la nuclear débil y el electromagnetismo. La diferencia es que cuando se pasa de alta energía a baja, las partículas del electromagnetismo (los fotones) siguen sin tener masa, pero las partículas de la fuerza nuclear débil (los bosones W y Z) aparecen con una masa enorme. A baja energía surge un parámetro: la masa. Esto intrigó a los científicos. Ellos trabajan con preguntas, y aquí surgió una importante, una de esas preguntas que hacen historia: ¿Qué provoca esa diferencia? es decir, ¿Qué es lo que hace tener masa a las partículas?

Los físicos de partículas no encontraban una explicación a esa disparidad de masa en el mundo subatómico. Hasta 1964. El campo de energía de Higgs lo explicaría. Una billonésima de segundo después del Big Bang antes de que apareciese la materia tal y como la conocemos actualmente, surgió el llamado campo de Higgs. Este campo interactuaría con las partículas subatómicas y les daría su masa. Las partículas muy masivas serían, según este modelo, las que interactúan mucho con el campo, y las partículas sin masa no interactuarían con el campo de Higgs. ¿Y qué es el bosón de Higgs? El bosón de Higgs constituye el cuanto del campo de Higgs, la más pequeña excitación posible de este campo.

Existen muchas y variadas metáforas para entender el campo de Higgs. Imaginemos una fiesta, por ejemplo la cena de gala de los premios Nobel. Gente elegantemente vestida, cubertería reluciente. Están todos los invitados de pie charlando. En un momento dado Peter Higgs entra por la puerta y los asistentes a la fiesta le rodean, quieren preguntarle qué tal sus primeras horas como premio Nobel, le felicitan y le estrechan la mano. A Higgs le cuesta horrores llegar al otro extremo de la sala porque está ocupado intercambiando impresiones con los invitados. Minutos después, cuando todos se han calmado, entra el típico físico pelma con el que nadie quiere hablar. Lejos del recibimiento del señor Higgs, este pelmazo provoca que la gente se aparte, hacen como que hablan unos con otros y le dan sigilosamente la espalda, nadie quiere interactuar con él, por algo el bosón de Higgs no lleva su nombre. Tiene un lado bueno, puede llegar al otro extremo de la sala sin intercambiar palabra. En esta analogía, todos los invitados forman el campo de Higgs, cada uno de ellos es un bosón de Higgs (ver aclaración en el siguiente párrafo) que hacen que el pobre Peter Higgs viaje lentamente, como si tuviese una gran masa, mientras que las partículas con menos masa (el tipo pelma) atraviesan el campo de Higgs con facilidad.

¡Ojo! Lo anterior es una metáfora que facilita la comprensión, pero es falsa. El bosón de Higgs no pueden ser las personas individuales de la analogía, porque no es una partícula. El bosón de Higgs es una partícula virtual, no cumple con las propiedades que deben cumplir las partículas. En realidad el bosón de Higgs es la más pequeña excitación posible del campo de Higgs, una metáfora mucho más ilustrativa podría ser identificar el campo de Higgs como el mar y el bosón de Higgs como la ola que sale cuando se excita el campo. Otro punto importante es que, a pesar de lo que se puede intuir en la metáfora, el campo de Higgs no otorga masa a una partícula dificultándole su avance, sino que al interactuar con ella intercambia ciertas propiedades de las partículas, lo que conlleva un cierto desfase (consume cierta cantidad de tiempo). Por eso las partículas siguen teniendo masa aunque estén paradas, en la analogía esto no se intuye. Cuidado con las metáforas, que son muy útiles, pero pueden causar una impresión equivocada.

La implicación de la teoría es clara, dos partículas subatómicas con el mismo tamaño pueden tener distinta masa, dependiendo de cómo interactúen con el campo de Higgs. Del mismo modo, si el campo de Higgs no existiera, las partículas, lógicamente, no tendrían masa. Sin duda alguna, el comité Nobel premia hoy uno de los avances científicos más importantes de los últimos tiempos, que supone avanzar en el descubrimiento de las fuerzas de la naturaleza. Pero esto sólo es el principio, los experimentos siguen en marcha.

BIBLIOGRAFÍA:
  • Casas, Alberto (2012). El descubrimiento del bosón de Higgs. Investigación y Ciencia. Agosto 2012.
  • Ellis, John (2012). ¿Esconde el bosón de Higgs nueva física?. Investigación y Ciencia. Diciembre 2012.
  • Tarrade, Fabien (2012). La búsqueda experimental del bosón de Higgs en el LHC. Investigación y Ciencia Diciembre 2012.
ENLACES: