Bosones de Higgs

Fig. 1
Fig. 2
Higgs: La Cacería de la Partícula Maldita
Todos los adultos hemos sido niños, pero pocos lo recordamos. Los niños suelen hacer preguntas interesantes, atrevidas,
inteligentes. Preguntas como ¿De dónde se originó el mundo? ¿Por qué el Sol es amarillo y no azul o rojo o de cualquier
otro color? ¿Por qué brilla el Sol? ¿De qué está hecha la luz? ¿Por qué la luna es redonda y no cuadrada o de cualquier otra
forma? ¿Por qué las piedras son tan pesadas y las plumas tan livianas?
Pocas veces esas preguntas obtenían una respuesta. La ignorancia de los adultos frente a las preguntas de un niño se
manifiesta a menudo a través del ridículo, o la evasión. Frustrados, la mayoría aprende a no hacer esas preguntas, las cuales
caen en el olvido.
Pero esas interrogantes siguen ahí, y sus asombrosas respuestas también. Además, cada respuesta conlleva un automático
“¿Y por qué esa respuesta?”, formándose una cadena de sucesivas interrogantes y réplicas. Las preguntas son cada vez más
interesantes y apasionantes, y las respuestas cada vez más profundas y elegantes. La Ciencia es el método para ir avanzando
en esta cadena. Con cada eslabón comprendemos más y más.
La pregunta natural ahora es ¿dónde acaban estas cadenas? Siempre debe de haber una última respuesta; una respuesta tal
que si preguntamos una vez más “¿y por qué...?” la respuesta será: “No lo sé... y nadie hasta ahora lo sabe con certeza.
Quizás en el futuro lo sabremos.”
Ahora bien, dado que hay infinitas preguntas posibles, ¿significa esto que el número de “respuestas últimas” será también
infinito?
Podría ser, pero, sorprendentemente, todo indica lo contrario. Las cadenas de “por qué” convergen. Hasta este punto de la
historia, hemos descubierto que todas las cadenas de “por qués” acaban en tan sólo cuatro respuestas finales. Estas cuatro
respuestas últimas reciben el nombre de Cuatro Interacciones Fundamentales (ver figura 1). Hasta donde sabemos por
ahora, todos los fenómenos que nos rodean parecen ser explicados en términos de sólo cuatro fuerzas básicas, cuatro
ecuaciones fundamentales detrás de todo. Si preguntamos ahora “¿Y por qué cuatro y no cinco fuerzas?, o ¿Podría haber
otras fuerzas más que no hemos descubierto hasta ahora...?” la respuesta sería “Tal vez... pero nadie lo sabe con certeza.”
De estas cuatro interacciones, la Interacción Electromagnética y las Interacciones Nucleares Débil y Fuerte se comprenden
en forma coherente en un conjunto armónico de ideas llamado el “Modelo Estándar”. Bajo este modesto nombre se esconde
el conjunto de ideas más importante de la física, en la teoría más precisa jamás conocida por la humanidad. Sus predicciones
se han verificado con una exactitud de más de una parte en diez mil millones. Para hacerse una idea de lo que esto significa,
es una hazaña equivalente a medir el diámetro de la Tierra ¡con un margen de error equivalente al tamaño de una bacteria!
El Modelo Estándar está basado en la idea de que todo parece estar constituido por partículas fundamentales. Con “todo” se
quiere decir absolutamente todo. Tanto la “materia” como las “fuerzas” entre la materia. Incluso la luz está hecha de
partículas. Esta teoría explica cómo estas partículas interactúan entre ellas para crear el mundo tal como lo vemos.
O casi.
El problema empieza por el hecho de que para que el Modelo Estándar sea un todo coherente, las tres interacciones que
incluye no pueden estar separadas, sino que deben ser parte de una única interacción fundamental. Aún más, las partículas
no podrían poseer las masas que medimos. El Universo debería ser una “sopa” uniforme de partículas pertenecientes a una
única interacción fundamental unificada.
Esto no se parece en nada al Universo que vemos en la actualidad. Pero curiosamente, esta “sopa” unificada parece describir
precisamente el estado del Universo recién nacido, aquellos primeros instantes después del Big-Bang.
Una posible solución a este dilema fue propuesta en 1964 por Robert Brout, Francois Englert, Peter Higgs, Gerald Guralnik,
Carl R. Hagen y Tom Kibble. La ingeniosa idea estaba basada en el concepto de transición de fase: cuando se alcanza una
cierta temperatura crítica, el comportamiento de un sistema físico puede cambiar súbitamente, tal como el agua pasa
bruscamente del estado líquido al sólido al enfriarse por debajo de 0°C. Por lo que sabemos, probablemente el Universo en
sus primeros instantes era descrito justamente por esta fuerza unificada que acabamos de describir. Lo que estos teóricos
propusieron fue que, junto a las partículas del Modelo Estándar, debería existir un nuevo campo invisible, permeando todo
el espacio. Durante los primeros instantes, la existencia de este campo podía pasar desapercibida debido a las inmensas
temperaturas originales, pero cuando el Universo se enfrió hasta una temperatura crítica de miles de millones de millones de
grados (1015 K, aproximadamente), ocurrió una transición de fase. A esta temperatura, este campo se empezó a comportar
como un fluido “pegajoso” que entorpece el libre paso de las partículas a través del espacio. El efecto neto de esto es que las
partículas son dotadas de lo que percibimos como “masa”. Mientras más interactúe la partícula con este campo “pegajoso”,
mayor será la masa que adquirirá. Al adquirir distintas masas, las partículas también comienzan a comportarse en formas
radicalmente distintas, originándose así las distintas interacciones a partir de la fuerza original unificada.
Otra forma de entenderlo es que, en los primeros instantes de nuestro Universo, las temperaturas eran tan altas que incluso
las mismísimas leyes de la Física se encontraban derretidas y fundidas entre sí. Solamente a ciertas temperaturas críticas las
leyes empiezan a “congelarse”, adquiriendo características distintivas. Este tipo de transición de fase es lo que llamamos en
física “quiebre espontáneo de simetría”, y el nuevo campo que causa la masa de las partículas es llamado “ campo de
Higgs”. Por ejemplo, una partícula de luz o fotón no interactúa en absoluto con el campo de Higgs. Por ello, un fotón no
tiene masa y debe moverse a la máxima velocidad posible: la velocidad de la luz. En cambio, las partículas mediadoras de la
interacción débil (los bosones Z y W) sí interactúan con el campo de Higgs, adquiriendo en el proceso sus masas y
diferenciándose así de los fotones. Por esta razón, la fuerza nuclear débil es de muy corto alcance, y en la vida cotidiana rara
vez la percibimos fuera de los núcleos atómicos.
Esta elegante idea predice en forma correcta las masas observadas y los fenómenos que nos rodean. Sin embargo, en
Ciencia, no basta con que una idea parezca elegante y razonable. Para que una idea sea aceptada, debe estar respaldada por
evidencia experimental sólida y exhaustiva. Y he ahí el problema: si este campo de Higgs existe, debería ser posible percibir
sus estados excitados como partículas, llamadas Bosones de Higgs. Y hasta ahora, nadie ha observado una de ellas. Todas
las otras partículas del Modelo Estándar han sido encontradas, excepto esta. El bosón de Higgs es la pieza final del
rompecabezas de partículas de esta teoría.
El modelo estándar mismo predice que observar un bosón de Higgs es sumamente difícil. Se requerirían energías colosales,
similares a las que habían después de Big-Bang. Y una vez que la partícula aparezca, decaerá en forma casi instantánea en
una cascada de otras distintas. Por lo tanto, si la partícula existe, es una presa extremadamente difícil de atrapar. Es tanto así,
que fue descrita por el premio Nobel Leon Lederman como “The Goddamn Particle” (La Partícula Maldita) en un trabajo de
divulgación. Sin embargo su editor opinó que el adjetivo era muy grosero y prefirió llamarla recatadamente “The God
Particle” (La Partícula de Dios) con lo que se acuñó el desafortunado apodo de la partícula entre la prensa.
Sumamente difícil, sin embargo, no es lo mismo que imposible. Gracias a la Ciencia, hemos podido construir máquinas que
permiten realizar hazañas sin precedentes: tener la enorme potencia necesaria para reproducir las infernales condiciones del
Universo primitivo, y la delicadeza de detectar efímeras partículas que sólo existen por un instante. Estas enormes máquinas
son los aceleradores de partículas, auténticos monumentos al ingenio humano, y un orgullo para nuestra especie. Su
objetivo es recopilar la elusiva evidencia que necesitamos para saber cuán acertados estamos en nuestras hipótesis sobre el
funcionamiento más íntimo del Universo.
El acelerador más poderoso y sofisticado jamás construido hasta ahora es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que
consiste en un túnel circular subterráneo cerca de la ciudad de Ginebra, cruzando la frontera entre Francia y Suiza. El
segundo acelerador más poderoso es el Tevatron en Illinois, Estados Unidos. En diciembre de 2011, dos experimentos
independientes en el LHC anunciaron que habían detectado señales que podrían indicar la presencia de la elusiva partícula
con una probabilidad del 98,5%. Y el 7 de marzo de 2012, hace tan sólo unos días, se anunció que el Tevatron encontró una
señal que parece indicar la presencia del Higgs ¡con una probabilidad del 99,5%! La excitación en la comunidad científica
es muy grande, pues ambas máquinas detectan el Higgs en formas distintas, lo cual hace confiar aún más en estos
resultados.
Pero el sello de la Ciencia es la solidez de sus estándares de evidencia. Aún existe la posibilidad de que el campo de Higgs
no exista, y que todo sea sólo el resultado de una desafortunada fluctuación estadística. La idea de Higgs es una de las
preferidas por la comunidad científica, pero también existen otros mecanismos que en principio podrían explicar de forma
alternativa las masas observadas para las partículas fundamentales. Para anunciar un descubrimiento en forma oficial, los
estándares de evidencia deben ser altísimos: la probabilidad de que la observación sea una fluctuación estadística debe ser
menor a 1 parte en 1 millón. Aún falta analizar enormes montañas de datos antes de decidir si descorchar o no la botella de
champaña... y resolver a quién darle el Nobel de entre los seis posibles candidatos.
A estas alturas, Ud. seguramente estará pensando que, cada vez que se sube a la balanza de baño, el culpable de su peso son
estas “malditas” partículas de Higgs. Pero la realidad es mucho más sutil. Los protones y neutrones de los átomos de su
cuerpo están constituidos por quarks y gluones (ver figura 2). Si sumamos las masas que el campo de Higgs crearía sobre
todos los quarks y electrones que hay en su cuerpo, eso arroja menos de 2% de su peso total. ¿Y de dónde viene el 98% del
peso restante? La explicación yace en la ecuación más famosa de la Física, la equivalencia de masa y energía de Einstein
E = mc2. En términos simples, esto significa que cuando tomo un elástico común y lo estiro (acumulando energía potencial
dentro del mismo) su masa aumenta. En el caso del elástico, el efecto es imperceptible: al estirarlo, su masa crece en algo
así como la millonésima parte de la millonésima parte de un miligramo. En el caso de un protón o un neutrón, los gluones
que unen a los quarks entre sí se comportan también como diminutos elásticos extremadamente tensos, que guardan
energías colosales en proporción a su tamaño. En efecto, ¡más del 98% de la masa de cada protón corresponde a la energía
contenida en los gluones!
Pero las sorpresas y sutilezas de nuestro Universo apenas comienzan. El Modelo Estándar, pese a la imponente precisión de
sus predicciones, dista mucho de ser completo. Para empezar, algunas partículas casi imperceptibles, los neutrinos, se
comportan en forma ligeramente distinta a lo que el modelo predice. Por otra parte la interacción gravitacional, descrita por
la curvatura del espacio y el tiempo, es escandalosamente omitida del Modelo Estándar. ¿Por qué? ¿Está constituido el
espacio-tiempo de partículas también? ¿Y por qué sólo cuatro fuerzas? ¿Es posible un Universo con interacciones
fundamentales distintas a las que vemos? Otras preguntas aún más misteriosas radican en entidades misteriosas como la
Materia y Energía Oscuras. ¿A qué tipo de partículas corresponderán? ¿De qué están hechas? Y en cuanto al origen del
Universo ¿qué ocurrió precisamente en el Big-Bang? ¿Por qué existe algo en lugar de nada?
Estas preguntas están recién siendo develadas por la Ciencia. Muchas de las emocionantes posibles respuestas son sólo
tentativas. Pero por ahora estas elusivas ideas tendrán que esperar... hasta las próximas entradas del blog.
“Lo que cuenta no es lo que suene plausible, ni lo que nos gustaría creer, ni lo que uno o dos testigos digan.
Sólo cuenta lo que está apoyado por evidencia concreta, examinada rigurosa y escépticamente.
Afirmaciones extraordinarias requieren evidencia extraordinaria.”
(Carl Sagan, astrofísico y divulgador científico, 1934-1996)