¿Qué es el Higgs?

Después de un tiempo de dieta más o menos estricta subimos a la báscula con la esperanza de que el número que aparezca sea menor que el de hace unos meses: queremos perder peso, que es el resultado de multiplicar nuestra masa por la fuerza de la gravedad. ¿Pero qué determina nuestra masa? 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 de tamaño que rodea a un núcleo una cienmilésima aún más pequeño. Este corazón central no es otra cosa que un conglomerado de neutrones y protones cuya masa particular es miles de veces mayor que la de los electrones.

Hasta este punto los físicos tiene las cosas claras: saben, con mayor o menor precisión, por qué el átomo es como es. Lo que se les resiste es entender por qué neutrones, protones y electrones tienen las masas que tienen. Puede parecer una pregunta bizantina, como aquella discusión medieval sobre cuál era el sexo de los ángeles, pero los físicos teóricos tienen algo de teólogos y esta cuestión les carcome desde hace medio siglo.

Veámoslo de otro modo. ¿Qué determina que una piedra, o una margarita, tengan el tamaño que tienen? Esencialmente, lo grandes que sean las moléculas con que están hechas, que a su vez depende de los átomos que las componen. ¿Y el tamaño de los propios átomos? La teoría atómica nos dice que eso es función de la nube de electrones que orbita alrededor del núcleo, cuyas dimensiones están definidas por la masa de los propios electrones. Si tuviera un valor más pequeño, esas órbitas serían menores y todo tendría dimensiones más reducidas. Por eso es importante, dicen algunos científicos, comprender la masa del electrón: nos permite entender el tamaño del mundo que nos rodea. Y quien dice la masa del electrón habla de la de todas las partículas elementales. Hay muchas y con enormes diferencias entre ellas: la más pesada (el quark top) tiene una masa 350.000 veces mayor que la más ligera (el electrón).

El problema es de órdago. Podemos desarrollar una teoría que describa las partículas elementales y las interacciones que surgen entre ellas, pero exige que la masa de todas las partículas sea cero. Este hecho hace que la cuestión tenga un enorme atractivo entre los físicos: tienen una teoría que les dice que todas las masas deberían ser cero y el mundo real les lleva la contraria, hasta tal punto que existe una enorme disparidad de masas. Estos son los puzzles que encantan a los teóricos.

En 1963 el británico Peter Higgs propuso una elegante solución al problema. Todo el universo está repleto por un campo, parecido al electromagnético, que llena nuestras vidas. Así que antes de continuar debemos explicar el significado de “campo”, uno de los conceptos más importantes de la física e introducido por el físico inglés Michael Faraday en el siglo XIX.

Nosotros no nos damos cuenta, pero el espacio que nos rodea no está ocupado sólo por la materia. Si pudiéramos sacar toda la que existe en nuestro dormitorio, hasta la última mota de polvo y la última molécula de aire, no podríamos decir que en esa habitación no hay nada. La prueba palpable es que si lanzamos una pera, caerá al suelo: en nuestra habitación hay “algo” que la hace caer. Da igual el lugar desde donde la soltemos: la pera irá directa al suelo desde cualquier punto de la habitación; está llena con algo que llamamos gravedad. Dicho más correctamente, en nuestro dormitorio hay un campo gravitatorio. ¿Cuál es la causa de que esté ahí? Evidentemente, el planeta que tenemos a nuestros pies.

Pero no sólo eso. Si lanzamos en línea recta una partícula con carga eléctrica, como un electrón, y analizamos con cuidado su trayectoria, podremos distinguir que, al igual que pasó con la pera, “algo” modifica su camino y no se trata de la gravedad. Si repetimos muchas veces el experimento nos daremos cuenta que ese “algo” solo influye a las partículas que tienen carga eléctrica; las neutras no se enteran de nada. Acabamos de descubrir que existe otro campo, el electromagnético, que únicamente afecta a las partículas con carga. ¿Cuál es su origen? Una suma de distintas situaciones: el magnetismo terrestre, los campos electromagnéticos producidos por las antenas de telefonía móvil, los televisores, las emisoras de radio, el cableado de la casa, los electrodomésticos de la cocina… En definitiva, lo que llamamos fuerza (ya sea gravitatoria, eléctrica o magnética) no es otra cosa que el efecto visible sobre la materia de un campo que llena el espacio. Y más importante aún: la materia posee diferentes propiedades (en nuestro caso hemos descubierto dos, la masa y la carga) que la hacen sensible a los diferentes campos que existen; si no posee alguna de ellas (por ejemplo, que su carga eléctrica sea cero) el campo correspondiente no la influye. Es como si no existiera.

Aclarado este punto, volvamos a la propuesta de Higgs. Su idea fue revolucionaria, a pesar de que en un principio ni él mismo fue consciente de ello: existe un campo que llena el espacio y cuando las partículas interaccionan con él adquieren lo que parece ser masa. Es algo parecido a las fuerzas viscosas que siente una canica si se deja caer en un tarro de miel. Cuanto más interacciona la canica con la miel más despacio se mueve; en el caso del campo de Higgs, cuanto más interaccionan las partículas con él, más masa parecen tener. No obstante, hay partículas que pasan prácticamente desapercibidas y por eso tienen muy poca masa (el neutrino) o ninguna (el fotón).

La idea es totalmente contraintuitiva. ¿No es la masa una propiedad intrínseca de la materia? ¿Es que hay “algo” que reparte masa como los Reyes Magos reparten caramelos entre quienes están viendo la Cabalgata? Para entenderlo los físicos suelen recurrir a la siguiente analogía. Imagine que se encuentra en una fiesta de Hollywood. De repente entra Jessica Alba. Quienes están junto a la puerta se dan cuenta, empiezan a acercarse para entablar conversación con la estrella y se agrupan en torno a ella. A medida que se mueve por la sala los asistentes más cercanos se ven atraídos por la actriz y se acercan, y cuando se aleja de ellos regresan a sus conversaciones iniciales. De este modo la joven diva de Hollywood se mueve con más dificultad por la sala que si estuviera sola y le cuesta más ponerse en movimiento una vez que se ha detenido para responder a las preguntas, pues todos intentan acaparar su atención. Este efecto de acúmulo de personas alrededor de Jessica Alba es el mecanismo de Higgs.

Pero démonos cuenta que lo que acabamos de describir es, nada más y nada menos, la forma en que funciona lo que llamamos masa. No sólo es un concepto que sirve para calcular el peso en una báscula, sino que es la manera que tenemos de determinar 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 sentimos cómo 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. Así sentimos ese campo de Higgs. Como dice el teórico Brian Greene, “las fuerzas que todos ejercemos miles de veces al día para cambiar la velocidad de un objeto son fuerzas que luchan contra la fricción del océano de Higgs”.

La teoría dice que este peculiar campo llena el universo y afecta a todas las partículas que se mueven en él, de manera que les aporta masa. No podemos negar que es algo raro, pero no demasiado. Los físicos de materia condensada, aquellos que estudian las propiedades de estructuras sólidas como los cristales de cuarzo, saben que al pasar un electrón a través de una estructura cristalina su masa se puede incrementar hasta en un factor 40. Lo mismo parece suceder con el campo de Higgs: una partícula que se mueva por él crea una pequeña distorsión -la gente que rodea a Jessica Alba en la fiesta- y eso le da la masa. Es la varita mágica del hada madrina de la física.

¿Podemos saber si este campo de Higgs existe? Responder nos lleva directamente a un resultado bastante increíble de la teoría cuántica. Para entenderlo debemos recurrir a la siguiente analogía. Si queremos comunicarnos con un amigo podemos hacerlo de cuatro formas: de viva voz, por teléfono móvil, por correo electrónico o por carta. Cada una de ellas posee un objeto característico que transporta la información: el aire, las microondas, el cable ADSL y el papel. Con las partículas subatómicas sucede algo parecido. Las relaciones que puede haber entre ellas las llamamos fuerzas. En la naturaleza hay cuatro: la gravedad, la electromagnética y dos fuerzas nucleares; la fuerza fuerte, que mantiene el núcleo unido, y la débil, responsable de un tipo de desintegración radiactiva llamada desintegración beta. Pues bien, cada una de esas formas de comunicarse lleva asociado un objeto, una partícula, responsable de transportar la información. En el caso de la electromagnética la partícula es el fotón, para la gravedad es el gravitón y en la fuerza fuerte, el gluón (del inglés glue, pegamento). El caso de la débil es especial porque no es una sino tres partículas las portadoras, los bosones W+, W- y Z0.

Para comprender el funcionamiento de una fuerza en esta descripción volvamos a nuestro dormitorio vacío. En el momento que metemos la pera la existencia del campo gravitatorio hace que la pera y la Tierra comiencen a comunicarse. ¿Cómo? Intercambiando gravitones como dos niños que se lanzan bolas de nieve. De esta manera la pera “se entera” que está sumergida en un campo gravitatorio. Del campo electromagnético ni se entera porque al no tener carga neta es como si no tuviera las manos específicas para recoger los fotones que le están enviando.
Ya estamos en condiciones de responder a la pregunta sobre cómo podemos demostrar la existencia del campo Higgs: encontrando su partícula portadora llamada, a la sazón, bosón de Higgs. Desde el CERN en Ginebra hasta el Fermilab de Chicago, los físicos de partículas llevan dos décadas intentándolo.

La búsqueda comenzó en los 1980, cuando se asentó el llamado modelo estándar de la física de partículas. El trabajo de los teóricos en las décadas anteriores había conseguido poner orden en el complicado mundo subatómico que estaba surgiendo de los aceleradores de partículas. Se había superado la crisis de los años 60, cuando estos inmensos instrumentos se dedicaban a poner en serios aprietos a los investigadores al producir más y más partículas cada vez que se enchufaban. Entonces hablar de ‘partículas elementales’ era motivo de cachondeo. Pero entró en juego el físico Murray Gell-Mann y en 1962 anunció una forma de agrupar las partículas que llamó “el Camino Óctuple”, en clara alusión a la filosofía budista. Su teoría –también formulada independientemente por el israelí Yuval Ne’eman- predecía una nueva partícula, Ω-, que fue descubierta al año siguiente. Dos años después Gell-Mann perfeccionaba su teoría y lanzaba al ruedo de la física de partículas elementales los quarks. De este modo 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 de referencia es el modelo estándar, que podemos resumir así. Existen dos estirpes principales de partículas elementales: los quarks, de seis ‘sabores’ y agrupados en tres familias de dos -up (arriba) y down (abajo), strange (extraño) y charm (encanto), bottom (valle) y top (cima)-, y los leptones (del griego, ligero), también de seis ‘sabores’ -el electrón y su correspondiente neutrino, el muón y el neutrino muónico, el tau y el neutrino tauónico (los neutrinos son partículas capaces de atravesar un muro de plomo de varias decenas de años-luz de grosor sin enterarse)-. Los leptones se pueden encontrar solos en la naturaleza mientras que los quarks nunca lo hacen: siempre aparecen en parejas o en tríos (como es el caso del neutrón y el protón) y se mantienen unidos mediante los gluones. Son los ladrillos con los que se construyen el resto de las partículas.

Ya tenemos explicadas las partículas ¿pero y las fuerzas? A finales de la década de los 70 Glashow, Salam y Weinberg demostraron que el sueño de todos los físicos teóricos del mundo podía ser cierto: reunir bajo una única descripción matemática las cuatro fuerzas de la naturaleza. El primer y esperanzador paso dado por estos tres físicos fue encontrar una forma de describir bajo una misma formulación la fuerza electromagnética y la débil. Entre las predicciones de su “teoría electrodébil” se encontraban los transmisores de la fuerza débil, los bosones W+, W- y Z0. Pero el pronóstico venía con sus propios problemas. Si estas partículas existían debían tener unas masas muy elevadas y eso colocaba en un punto peligroso al modelo estándar. La fuerza electrodébil posee cuatro partículas portadoras: el fotón y los bosones W y Z, y nadie podía explicar por qué el primero no tiene masa y los otros tres son tremendamente pesados. Para resolverlo venía de perlas el campo de Higgs.

El reto de los 80 fue demostrar que esos bosones W y Z existían, al igual que encontrar experimentalmente el quark más pesado de la lista, el top. Los W y Z requerían de máquinas que produjeran una energía suficiente, y eso dependía de cuánto fuera su masa. A finales de los 70 las mejores estimaciones teóricas apuntaban a “centenas de veces la masa del protón”. Una valoración no muy exacta, pero suficiente para que el CERN decidiera gastarse 100 millones de dólares de la época en encontrarlo. Eran momentos de euforia: la teoría electrodébil apuntaba a que el Santo Grial de la física estaba al alcance de la mano; una teoría final, una ecuación única que dejaba como un triste aprendiz al anillo de poder de la novela de J. R. R. Tolkien, pues gobernaría las cuatro fuerzas y todas las partículas del universo. Desde los años 40 muchos lo habían intentado, ¡hasta el gran Einstein! Nadie, ni remotamente, se había acercado a conseguirlo.

En enero de 1983 el italiano Carlo Rubbia, responsable e ideólogo de la búsqueda, anunciaba haber encontrado los dos W. Seis meses después aparecía el Z. Solo faltaba el quark top, que cayó en mayo de 1995 gracias a los físicos del otro gran acelerador, el Tevatron del Fermilab en Chicago. El modelo estándar estaba completo… salvo por el bosón de Higgs.

En los últimos años, en el hogar de los dos aceleradores de partículas más grandes del mundo, Chicago y Ginebra, se han realizado experimentos para poder atisbar alguna traza de su existencia. Los físicos saben que es difícil pues la energía necesaria para verlo está muy por encima de las posibilidades de sus aparatos. Podemos decir que se han dedicado a chocar partículas (que es lo que hacen los aceleradores) para ver si suena la flauta por casualidad.

La situación es similar a la de 1980 con los W y Z. Para encontrar el Higgs, la madre de todas las masas, hay que construir un acelerador más grande. A finales de los 80 los americanos se pusieron manos a la obra y diseñaron el SSC, el Supercolisionador que se quería construir en Texas. Pero el proyecto fue cancelado. En 1987 los científicos dijeron al Congreso norteamericano que costaría 4.400 millones de dólares y en 1992 ya iban por 12.000 millones. Era demasiado dinero, teniendo en cuenta que la Estación Espacial Internacional (ISS) tenía un coste parecido. Para los congresistas norteamericanos el estado no podía invertir en ambos proyectos y el SSC fue cancelado. Irónicamente, su apoyo a la ISS fue otra metedura de pata pues la estación espacial ha demostrado ser la manera más efectiva de tirar miles de millones de dólares por el retrete.

En Europa el CERN decidió desmantelar su acelerador, el LEP, para construir otro capaz de alcanzar una energía suficiente para ver el Higgs, el LHC, donde ahora se dice haberse encontrado ciertos indicios de que está “por ahí”.

¿Y si no se da con él? Aunque los teóricos ya lo han pensado y proponen diferentes alternativas, nadie duda que 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 el premio Nobel de Física Leon Lederman, quien bautizó al Higgs con el sobrenombre de la partícula divina. Las dos pasiones de los físicos están enfrentadas. Encontrar el Higgs 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.

(Publicado en Muy Interesante)

5 Comentarios Agrega el tuyo

  1. Dani dice:

    De lo mejor que he leído esto días sobre el bosón de Higgs. Muy bien explicado.

    Gracias.

  2. Hugo dice:

    Compeltamente de acuerdo con Dani. Muy bien explicado y muy ameno.

  3. Aitor dice:

    Muy buena explicación, felicidades. Personalmente no estoy de acuerdo conque la ISS sea un desperdicio de dinero, gracias a ella se han logrados y se lograran muchos avances científicos y tecnológicos que no hubieran sido posibles de otra forma.

  4. Carlos dice:

    Que facil lo haces.
    Un grande de la fisica decia algo asi como: “solo si se lo puedes explicar a cualquier es que lo has entendido. Por fin lo he entendido.

  5. perlita1 dice:

    Pues te diré que es primera vez que encuentro una explicación tan clara.

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