Curso rápido sobre el bosón de Higgs para no iniciados

El bosón de Higgs es la partícula asociada a un campo que se extiende por todo el espacio y que explica por qué algunas partículas tienen masa y otras no. Ese campo está ligado a la ruptura de una simetría inicial del universo que se quebró de forma espontánea. El campo de Higgs interacciona con ciertas partículas haciendo que adquieran una propiedad que es lo que entendemos como masa. Con otras no y por eso no tienen masa, viajan a la velocidad de la luz. Explica, en definitiva, por qué existe el universo y por qué existe usted. Sin el campo de Higgs, las partículas de las que usted está formado saldrían disparadas. Quédese con esta idea. Si quiere detalles, lea todo el artículo.

«Abandonen toda lógica quienes entren en este lugar». Adentrarse en la mecánica cuántica podría comenzar con esta variación del letrero que Dante sitúa en las puertas del infierno. Sin embargo, es clave comprenderla para entender el último fenómeno mediático de la física: el bosón de Higgs. Si decide seguir leyendo, abandone su lógica habitual y adéntrese en otra distinta: se le abrirán puertas aparentemente inconcebibles. Difícilmente podrá entender todos los detalles, pues se necesitan años de estudio para comprender y apreciar lo que encierra la teoría. Pero quédese con las ideas, por raras que sean.

Relatividad en un minuto: Sólo las partículas sin masa pueden viajar a la velocidad de la luz. Ése es el tope y debe ser así. Si no, el universo sería de locos: las consecuencias ocurrirían antes que las causas. Y otra idea: la masa y la energía son lo mismo, podemos transformar una en otra, y viceversa. Teóricamente, usted es tanta energía como 120.000 bombas atómicas. Y la energía puede convertirse en materia, es lo que ocurre en el gran acelerador de partículas, donde dos protones chocan a gran velocidad y se convierten en energía que se transforma en nuevas partículas.

Mecánica Cuántica en (algo más de) un minuto: En la escala atómica las cosas suceden de forma distinta. Las partículas son también ondas, y viceversa. Piense en lo que ocurre cuando el público en un estadio hace la ola: la «perturbación» recorre rápidamente las gradas. Pues un físico le diría que en el mundo microscópico eso también es una partícula. ¿Dónde está esa ola de aficionados en un instante? No puede decirse con certeza, sólo de forma aproximada: entre tal y cual asientos. ¿A qué velocidad se mueve? Tampoco puede afirmarse con exactitud, ya que esa «ola» de aficionados es en realidad una composición de ondas que ocupan todo el estadio y se propagan a distintas velocidades.

Primera lección en teoría cuántica de campos (para leer dos veces): La teoría cuántica de campos reúne la relatividad y la mecánica cuántica. Ya sabe las ideas básicas: masa y energía son lo mismo y las partículas son ondas y viceversa. Ahora añada otra pirueta: campos y partículas también se confunden. Recordará de física básica que una partícula eléctrica (por ejemplo, un electrón) «crea» un campo a su alrededor. De ese modo otro electrón próximo sufrirá una fuerza de repulsión. ¿Cómo "percibe" el electrón que otro está cerca? La teoría cuántica de campos establece que ese fenómeno es equivalente al intercambio de otra partícula entre ambos electrones: un fotón. Un fotón es, más o menos, una perturbación de ese campo electromagnético. Sería como la «ola mínima» en esa grada de un estadio de fútbol, la que corresponde a un único aficionado.

Fuerzas, partículas... ¡esto es un zoo! A medida que los físicos comenzaron a explorar el mundo subatómico se encontraron con más y más partículas que se clasifican de dos maneras: las que componen la materia ordinaria y las que se encargan de transmitir las interacciones como si fueran mensajeros. Las primeras se llaman fermiones; las segundas, bosones. Y tienen propiedades muy diferentes. También sabemos que hay cuatro posibles interacciones. Dos ya las conoce: la gravedad y el electromagnetismo. Hay otras dos que quizás no le suenen. La fuerza débil (responsable de ciertos procesos radioactivos) y la fuerza fuerte, que hace que sea tan difícil romper un núcleo atómico. Cada una de esas interacciones se explica por medio de un campo y, como ya sabe, cada campo puede explicarse como un intercambio de partículas: los bosones.

Modelo estándar o cómo ordenar todo esto. A lo largo del siglo XX los físicos fueron describiendo matemáticamente todas las partículas y las fuerzas (con sus correspondientes bosones). El sueño es lograr entender todas las interacciones (gravedad, electromagnetismo, fuerza débil y fuerza fuerte) como una sola con distintas manifestaciones. El problema está en que esa «unificación» de las fuerzas no es posible en el universo actual. Si ocurrió, tuvo lugar en los primeros minutos de vida del cosmos. Entonces el universo estaba mucho más caliente y energético. Ahora nuestro universo es mucho más frío. Por eso los científicos hacen chocar partículas para liberar grandes cantidades de energía, similares a las del universo primitivo. Los físicos creen con bastante seguridad que entonces las leyes funcionaban de otra manera: podríamos decir que estaban "menos estropeadas". Encerraban belleza y sencillez gracias a algo que todos entendemos: la simetría.

En busca de la simetría perdida. A veces las simetrías se rompen y es fácil entender qué significa eso. Intente colocar un lápiz sobre su parte de atrás, enhiesto sobre la mesa. Es difícil pero posible. Si se da cuenta, si usted gira alrededor del lápiz vertical la imagen que verá es la misma: hay simetría. Pero si por un pequeño golpecito el lápiz se cae esa simetría se rompe y quedará una dirección determinada sobre la mesa respecto a todas las otras posibles. Los físicos tratan de encontrar, justamente, los patrones de simetría que ahora permanecen ocultos porque están rotos. Es como tratar de descubrir cuál era la disposición de una mesa, con sus platos, vasos y cubiertos bien colocados una vez que todos han acabado de comer.

¡Se ha roto la simetría! ¡Llamemos a un bosón! Los físicos encontraron una manera de entender situaciones en las que se rompe una simetría en la descripción de un fenómeno. Curiosamente, podía describirse la nueva circunstancia mediante excitaciones de un campo asociado a esa ruptura específica. Recuerde el lápiz enhiesto sobre la mesa. El campo ligado a esa simetría, que mide la orientación del lápiz sobre la mesa, vale cero. Pero si el lápiz se cae en una dirección arbitraria ese campo tomará un valor que representará esa dirección. Y como ya sabe, esa excitación es una partícula y además un bosón.

La masa es el problema. Recuerde que los físicos tratan de unificar de forma elegante y sencilla todas las leyes. Lo lograron con el electromagnetismo y la fuerza débil, pero había un pequeño fallo. Como ya sabe, cada fuerza lleva asociados bosones que la transmiten. En el electromagnetismo son los fotones y en la fuerza débil, los bosones W y Z. (No son elucubraciones, han sido detectados). Pero para que toda esa unificación funcionase comprobaron que algo fallaba. La teoría decía que si ambas fuerzas eran en el fondo la misma, sus bosones asociados deberían comportarse igual. Pues no. Los fotones no tienen masa (recuerde, son la luz y van a la máxima velocidad permitida), pero los bosones W y Z sí. ¿De dónde ha salido esa masa? ¿Por qué ellos sí y los fotones no? Obviamente está rota la simetría.

El bosón salvador. Como ya se ha dicho anteriormente, las simetrías rotas llevan asociadas campo cuyo valor nulo o no dicta la ruptura. Eso fue lo que Robert Brout, François Englert y Peter Higgs entendieron. Idearon un mecanismo para explicar por qué los bosones W y Z adquirían masa y los fotones no. Un campo que se extiende por todo el universo y está asociado a esa ruptura de la simetría se encargaba de «acoplarse» a los bosones W y Z, pero no a los fotones. Y además, era coherente con el resto de interacciones del modelo estándar. En particular, el campo de Higgs interacciona con la materia usual y, al romperse la simetría, esas interacciones se comportan de forma análoga a la masa. ¡Explicaba por qué unas partículas tienen masa y otras no en todos los casos!

En el comienzo de los tiempos... todo era, ya sabe, más simétrico y sencillo. En los primeros momentos del universo las partículas se movían sin masa a la velocidad de la luz. Hasta que algo irreversible pasó y rompió la simetría para siempre, igual que cuando el lápiz en equilibrio se cae. Lo que ocurrió es que el campo de Higgs se «congeló». Sólo algunas partículas logran librarse de él: las que tienen masa cero. El resto debe recorrer el espacio a menor velocidad, debido a ese campo: tienen masa.

Muy bonito, pero ¿es real? Para resolver la pregunta sólo cabe tener una evidencia de la existencia de ese campo. La forma de hacerlo es causar una perturbación en el campo de Higgs que no vemos pero que nos influye (súbase a la báscula del cuarto de baño, usted pesa). Esa perturbación, esa onda en el campo, sería, por lo que ya sabe de mecánica cuántica, una partícula. Y por lo que ya sabe de teoría de la relatividad, aportando suficiente energía podremos hacer que aparezca. Como la energía debe ser muy elevada fue necesario construir el gran colisionador LHC. Así, los físicos lanzaron protones a gran velocidad que se desintegraron con gran energía y analizaron qué partículas surgían. Realizaron ese experimento millones y millones de veces hasta que encontraron casos en los que el resultado coincidía con la creación de una partícula que tenía las mismas propiedades del bosón asociado al campo de Higgs. ¡Ahí estaba!

¡Es muy complicado! Sí, lo es. Piense que se necesitan años de estudio para entender y ver como «razonables» todos los detalles. Recuerde, no es una teoría alocada: es la mejor manera (hasta ahora) de comprender y explicar la naturaleza. Es bastante extraña, sí, pero no lo es la teoría: lo extraño está en el propio universo.