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El Higgs: en blanco y negro

Físico británico Peter Higgs, autor de la teoría del “bosón de Higgs”.

El 4 de julio de 2012 un comunicado de prensa del Large Hadron Collider (LHC) en el laboratorio europeo CERN anunció que una partícula “consistente con el bosón de Higgs” había sido detectada.  La noticia fue recibida con una amplia gama de emociones. Para unos el descubrimiento es el “Santo Grial” de la física; para otros es solo la confirmación de una predicción teórica hecha hace más de 40 años.

La dificultad de interpretar este evento científico se debe en parte al desconocimiento sobre la física de partículas elementales, el Modelo Estándar, que es la teoría más exitosa dentro de esta disciplina, y la relación que tiene la partícula de Higgs con esta teoría.  Como estos temas están tan removidos de la experiencia cotidiana, nos parece que valdría la pena repasarlos para poder poner este evento en perspectiva.

Para los químicos, la lista de partículas elementales es pequeña: electrones, protones y neutrones.  Con esta pequeña lista se pueden construir todos los elementos de la tabla periódica y se puede explicar el comportamiento químico de toda la materia.

Sin embargo, cuando se estudia cudadosamentela estructura del átomo, comienzan a surgir interrogantes.  Si el núcleo esta compuesto por protones, de carga positiva, y neutrones, sin carga, podríamos preguntarnos, tomando en cuenta que las cargas iguales se repelen y que la repulsión de estas se hace más grande a medida que la distancia disminuye, ¿qué evita que el núcleo se desintegre debido a la repulsión fuerte de las cargas iguales que lo componen?

Por otra parte, el estudio de procesos en los que partículas elementales interactúan a más altas energías evidencia un sinnúmero de partículas subatómicas y sería ridículo asumir que todas estas son elementales.  El modelo sencillo de protones, electrones y neutrones se complica.

Hoy sabemos que existen, además del electromagnetismo, dos fuerzas que dominan las reacciones entre las partículas elementales: la fuerza fuerte y la fuerza débil.  La fuerza fuerte es la responsable de mantener los núcleos unidos y la débil explica las reacciones nucleares como el decaimiento beta, en el que un protón se convierte en neutrón y emite un electrón.

Si a la fuerza electromagnética, la fuerte y la débil le sumamos la fuerza de gravedad completamos el cuarteto de fuerzas que rige todos los fenómenos del universo.  Las fuerzas, según la mecánica cuántica, son mediadas por partículas. El fotón, que es la partícula que media la interacción electromagnética, es la primera de estas partículas en descubrirse.  La fuerza fuerte es mediada por la partícula conocida como gluón y ésta, al igual que el fotón, carece de masa.  La fuerza débil es mediada por 3  partículas con masa:  W+ , W-  y  Z1. También es de esperarse que la fuerza de gravedad sea mediada por una partícula que recibe el nombre de gravitón aunque ésta no ha sido observada.

Resulta que este “zoológico” de partículas se puede explicar con el “modelo estándar” que consiste en 6 quarks, 3 leptones (partículas livianas como el electrón) y 5 mediadores de fuerza. Este modelo viene siendo como una tabla periódica capaz de explicar la composición de todas las partículas observadas.

Sin embargo, este modelo no dice nada sobre el origen de la masa de las partículas.  Los quarks, leptones y las partículas W y Z tienen masa pero el fotón y el gluón no poseen masa alguna.  Esto es particularmente problemático por que en condiciones similares a las del origen del universo la fuerza electromagnética, la fuerte y la débil se vuelven indistinguibles, es decir, se unifican.  Si estas tres fuerzas son diferentes aspectos de una misma cosa ¿por qué son tan diferentes las masas de las partículas que median estas interacciones?

Como respuesta a estas interrogantes surge la idea del mecanismo conocido con el nombre de Higgs2.  Este mecanismo dice que las partículas obtienen sus masas por interacción con un campo que permea todo el universo. Las partículas que interactúan con este campo tienen masa.  Si este campo existe debe ser mediado por una partícula y ésta es la partícula de Higgs, también conocida por el desafortunado apodo “La partícula de Dios” (este nombre, que ofende a científicos y teólogos por igual, surge de la prestidigitación de un editor que transformó de “The God damned Particle” a “The God Particle” el título del libro de Leon Lederman sobre la búsqueda de esta partícula3).

La búsqueda de ésta ha sido difícil por que tiene una masa que es 133 veces la masa del protón.  Según la célebre relación entre energía y masa, E=mc2, esta masa corresponde a una energía de billones de electron-volts.  La dificultad de realizar experimentos a estas altas energías es lo que ha hecho a esta partícula tan elusiva.  En los años 90, hubo un esfuerzo por construir un gigantesco acelerador de partículas capaz de alcanzar energías que permitieran observar el Higgs, pero se descartó este proyecto y los fondos se utilizaron para la Estación Espacial Internacional. Esta decisión demoró el descubrimiento del Higgs por 20 años.

Suscribirnos a la clasificación Kuhniana de la ciencia como normal o revolucionaria, nos obliga a considerar el descubrimiento del Higgs como un acontecimiento propio de la ciencia normal.  Se encontró una partícula que debía existir según nuestro modelo teórico: una pieza que faltaba en el Modelo Estándar y que lo completa.  No hay, como consecuencia de este descubrimiento, un cambio fundamental en nuestro modo de pensar. En este sentido la historia de la búsqueda del Higgs se podría resumir, con el permiso de mis colegas humanistas, como la crónica de una partícula anunciada.

Esta clasificación no disminuye en nada la importancia de éste descubrimiento. El esfuerzo que ha requerido crear los aceleradores de partículas capaces de alcanzar energías suficientes para observar partículas de tan alta masa es heroico. Además los detectores y los métodos de análisis que permitieron identificar la partícula son extremadamente sofisticados. Más aún, la confirmación de esta predicción teórica valida los métodos que son la base del modelo estándar y nos asegura que estamos cada vez más cerca de entender el funcionamiento del universo o más cerca del sueño Einsteiniano de comprender “Sus pensamientos”4.

Carlos Vicente es profesor en el Departamento de Ciencias Físicas de la facultad de Estudios Generales en la Universidad de Puerto Rico. Su especialidad es la física de materia condensada a bajas temperaturas y es experto en superconductividad y superfluidez.  Además fue estudiante de Gerry Guralnik, uno de los teóricos que postuló el mecanismo que hoy se conoce con el nombre del Higgs.

  1. David J. Griffiths, Introduction to Elementary particles  (John Wiley and Sons Inc., New York, 1987).-El primer capítulo de este libro es un excelente resumen del desarrollo histórico de la física de partículas desde el descubrimiento del electrón hasta el Modelo Estándar. []
  2. Guralnik, G. S. (2009). “The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of the Theory of Spontaneous Symmetry Breaking and Gauge Particles”. International Journal of Modern Physics A 24 (14): 2601. []
  3. The Higgs boson: Fantasy turned reality”, The Economist ( Dic. 14 2011),  Descargado en Nov 1 2012. []
  4. From E. Salaman, “A Talk With Einstein,” The Listener 54 (1955), pp. 370-371 []