El último elemento: El bosón de Higgs

Por Gaston Giribet*

Este artículo es una versión modificada del texto publicado en la Revista Noticias el 01/09/12.

* Gaston Giribet es Doctor en Física por la Universidad de Buenos Aires, es Profesor de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la Universidad de Buenos Aires e Investigador del CONICET.

El pasado 4 de julio científicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en Ginebra, anunciaron el descubrimiento de una nueva especie de partícula, jamás observada hasta el momento, la cual exhibe las propiedades que, según predice la teoría, debería tener la largamente buscada “partícula de Higgs”. La partícula de Higgs, también llamada “bosón de Higgs” por pertenecer al sub-conjunto de partículas que los físicos denominan “bosones”, es la última partícula que quedaba por descubrir del edificio teórico denominado Modelo Estándar de las partículas fundamentales, y es la explicación del hecho de que la materia posea masa.

El modelo estándar de las partículas elementales

El Modelo Estándar es un ambicioso esquema teórico que propone una descripción minuciosa de cómo serían absolutamente todos los constituyentes microscópicos que componen la materia en el universo. Además de esto, el Modelo describe también las interacciones entre dichos constituyentes; es decir, lo que usualmente llamamos fuerzas. Según la teoría, toda la materia que observamos en el universo y las fuerzas actuando entre esa materia están constituidas por partículas fundamentales infinitamente pequeñas. El electrón, el fotón, los quarks, los neutrinos, son sólo algunas de esas veintitantas partículas del Modelo Estándar. De comprobarse que, en efecto, la partícula observada recientemente en el colisionador de partículas LHC del CERN se trata de la partícula de Higgs, entonces se habría hallado el último bloque de ese colosal edificio teórico y estaríamos en condiciones de afirmar que tenemos una descripción acabada de todos los fenómenos hasta hoy observados en el universo, con excepción de fenómenos que involucran a la fuerza de gravedad, para la cual la física parece reservar un capítulo a parte.

El origen de la masa

La importancia de la partícula de Higgs no viene dada sólo por su propiedad de ser la última partícula predicha por la teoría que quedaba por ser descubierta, sino también porque ella desempeña un papel crucial: es precisamente esta partícula la responsable de que las otras tengan masa. Por ello, descubrir el Higgs es, de suyo, encontrar la razón por la cual la materia tiene masa.

En cuanto construcción teórica, el Modelo Estándar debe su éxito a un conjunto de hermosas propiedades matemáticas que uno encuentra en sus ecuaciones. Estas propiedades reciben el nombre de “simetrías de gauge” y son parte esencial de cómo hoy los físicos conciben la naturaleza. Sin ánimo de renunciar a esas propiedades, los físicos entendieron desde un comienzo que la simetría de gauge es posible sólo si la masa de las partículas no es una propiedad intrínseca de ellas sino, por el contrario, es una propiedad emergente debido a algún otro fenómeno. Fue así como en 1964 Peter Higgs junto a otros físicos (correspondería también mencionar los nombres de Brout, Englert, Hagen, Guralnik y Kibble) propusieron un mecanismo según el cual las partículas podrían adquirir masa. Esta idea fue posteriormente implementada por Salam y Weinberg en la formulación del Modelo Estándar.

Según el mecanismo de Higgs, la “masa” que observamos de las partículas, lo que solemos asociar a la renuencia de éstas a ser frenadas o aceleradas, no es una propiedad intrínseca de ellas sino que es el producto de la interacción de ellas con otra partícula, la hoy llamada “bosón de Higgs”. Este bosón interacciona con otras partículas adosándoseles y de ese modo confiriéndoles la masa. Así, las partículas en realidad no tendrían masa en un sentido estricto sino que su comportamiento inercial se debería a que se propagan en el universo surcando un omnipresente campo plagado de partículas de Higgs que les entorpece su andar “como si fueran masivas”.

Peter Higgs. Imagen: Universidad de Edinburgo

La manifestación del bosón de Higgs

La historia se vuelve aún más interesante cuando uno advierte que, según la teoría, el bosón de Higgs no sólo puede manifestarse indirectamente a través de su propiedad de otorgarles la masa a otras partículas, sino que podría también hacerse presente per se. Para lograrlo, es necesario producir colisiones de partículas de muy alta energía, similares a las que se han alcanzado en el CERN. La razón por la cual los procesos de colisiones necesarios para exhortar al Higgs a salir de su cueva deben ser muy energéticos está relacionada con el hecho de que el Higgs tiene una masa muy grande. Por ejemplo, si la partícula observada recientemente en el CERN se tratara en efecto del bosón de Higgs entonces su masa se calcula entre 125 y 126 GeV (Giga-electronVoltios), lo que equivale a decir que sería 245.000 veces más pesado que un electrón.

Para entender esto es conveniente recurrir a la siguiente analogía: Asumamos que el universo está lleno de ese “campo de Higgs”. Esto es, supongamos que el universo es un medio en el cual las partículas se mueven. Imaginemos a ese medio denso, como si fuera algún tipo de pegamento de esos que uno usa en la escuela. Ocurre que algunas de las partículas fundamentales tienen la cualidad de pegarse a ese medio gomoso más que otras, dependiendo esto de sus propiedades. La idea es que las partículas en realidad no tienen masa sino que tienen “diferente adhesión a ese medio gomoso en el que se propagan”. Así, las partículas que se pegan con mayor afinidad se comportan como si fueran pesadas, como si tuvieran mucha masa, con un andar lento y costoso. Por el contrario, aquéllas que se adhieren muy poco al medio gomoso son las que se mueven rápidamente, de manera ligera, como si estuvieran en el vacío; éstas son las que uno llama partículas sin masa, o con masa muy pequeña.

Ahora bien, hasta ahí esta descripción sólo viene a reforzar lo que decíamos arriba, que el campo de Higgs es lo que les confiere la masa a las otras partículas. Pero uno puede ir más allá con la metáfora y pensar que, así como ese medio tiene la propiedad de pegarse a las partículas que transitan en él, tiene también la propiedad intrínseca de generar olas. Es decir, aun cuando no haya una partícula moviéndose en ese medio gomoso, el mismo puede moverse formando olas de pegamento, o grumos que se propagan en el mismo medio del que están hechos. Son precisamente esas “olitas” las que uno llama “partículas de Higgs”, y la razón por la que ha demandado tanto esfuerzo observarlas es que esas olas del medio gomoso no se generan tan fácilmente como lo hacen las olas en el agua o en un medios menos densos; por el contrario, para generarlas uno necesita “más energía”. Es necesario lograr procesos muy energéticos dentro de ese medio para que las repercusiones de los mismos devengan en una “olita” en el campo de Higgs. Lo que en el CERN parece haberse observado es precisamente esta manifestación más directa del Higgs, esas olitas. Hubo que esperar casi cinco décadas desde su predicción hasta poder alcanzar la energía suficiente para experimentar este fenómeno, y es esto lo que hace de este momento uno tan especial.

De todos modos, y a pesar de estar embriagados con el entusiasmo propio de quienes probablemente estén frente a la última partícula que quedaba por descubrir, los físicos prefieren la cautela: lo que los dos experimentos (llamados ATLAS y CMS) que funcionan en el colisionador LHC han anunciado el 4 de julio es la observación de una nueva partícula, jamás observada anteriormente, y cuyas propiedades coinciden con las esperadas para el escurridizo bosón de Higgs. Investigaciones venideras nos dirán si efectivamente se trata del Higgs o si, por el contrario, se trata de algo aún más exótico. En lo personal, yo estaría feliz con lo primero.

El colisionador de partículas LHC

Pero propongo que hagamos aquí un descanso. Abramos un paréntesis para saldar una deuda, la de explicar qué es precisamente el colisionador de partículas LHC que funciona en Ginebra y cómo una máquina de esas características nos permitiría aprender sobre la estructura microscópica de la materia.

El colisionador LHC, acrónimo de la traducción al inglés de “gran colisionador de hadrones”, es el acelerador de partículas más grande que haya sido construido. Funciona acelerando protones e iones pesados. Los protones pertenecen al conjunto de partículas que los físicos denominan “hadrones” y es por eso que el LHC recibe ese nombre; por otro lado, los iones pesados son átomos cargados eléctricamente cuyos núcleos tienen una gran cantidad de protones y de neutrones. El LHC consiste en un túnel circular de 27 kilómetros de perímetro enterrado a cien metros de profundidad en la frontera entre Suiza y Francia. Aunque los detalles técnicos de una máquina de las características del LHC son infinitos y ciertamente exceden cualquier tipo de descripción que un profano como yo podría intentar, el principio de funcionamiento es curiosamente simple: gracias a un intenso campo magnético, los protones del LHC son acelerados a lo largo del túnel y finalmente forzados a colisionar entre sí a velocidades altísimas, generando de esa manera choques de partículas de muy alta energía. El producto de esas colisiones es colectado en complejos detectores y luego analizado por los físicos de partículas. Los expertos se dedican entonces a estudiar los detritos de esos choques sub-atómicas con la intención de entender cuáles son los constituyentes mínimos de la materia. Cuanto más energéticos son esos choques, más se adentra uno en los secretos íntimos de la materia. Para entender cómo es esto pensemos en un choque entre colectivos: si exploráramos los restos de un choque entre dos colectivos que venían a moderada velocidad, entonces sólo podríamos concluir que los colectivos están compuestos de guardabarros, parabrisas y neumáticos, ya que son ésos los vestigios que quedarían diseminadas en el pavimento luego del impacto. En cambio, si nos fuera dado estudiar los restos de una colisión entre colectivos que venían a muy alta velocidad, entonces aprenderíamos más de su composición, y al explorar sus restos comprobaríamos la existencia de tuercas, tornillos, carburadores y bujías. Esto ejemplifica lo que ocurre en los aceleradores de partículas: Es necesario alcanzar velocidades muy altas si lo que se pretende es escudriñar en lo más profundo de la materia.

Detección de partículas en el LHC. Imagen: CERN

En el caso particular del LHC las partículas allí aceleradas son protones, y al estar éstos compuestos a su vez por otras partículas más pequeñas (los quarks) el análisis de los restos de sus colisiones resulta ciertamente muy complejo. Participan en la realización y en el análisis de esos experimentos muchísimos científicos de muchísimos países, los cuales suman esfuerzos y recursos para llevar a cabo una de las empresas científicas más grandes de la historia. Entre los muchos expertos involucrados en los experimentos del LHC hay grupos de nuestro país realizando tareas de gran importancia; cabe mencionar el grupo de Ricardo Piegaia, de la Universidad de Buenos Aires, y el grupo de María Teresa Dova, de la Universidad Nacional de La Plata. De todos modos, la porción de la comunidad científica interesada en los resultados de las colisiones de protones en Ginebra excede ampliamente al grupo de físicos directamente involucrados con el experimento. Un ejemplo particular de esto es el entusiasmo, compartido ampliamente por la comunidad científica, ante anuncio del reciente descubrimiento de esa partícula “que tanto se le parece al Higgs”.

Predicción teórica y experimento

Un corolario que podemos -y acaso debemos- extraer de descubrimientos tales como el acaecido recientemente en el LHC es el que nos habla de la fecundidad de las construcciones teóricas a la hora de guiar las investigaciones en física. Es remarcable que la existencia de partículas como el Higgs u otros componentes del Modelo Estándar haya sido primero conjeturada sobre un pizarrón o sobre un pedazo de papel y sólo después -en muchos casos, décadas después- hayan los físicos asistido a sus descubrimientos. Este aspecto suele a veces quedar tristemente desplazado a un segundo plano, pero es uno de los logros más importantes de las ciencias naturales: ese poder de predicción, de anticipación de fenómenos, siendo la investigación a veces guiada sólo por intuiciones y argumentos que al comienzo pueden lucir tan frágiles y etéreos como aquella reticencia a abandonar la “simetrías de gauge” como forma de entender el mundo.

Un caso paradigmático de cómo cogitaciones puramente teóricas pueden eventualmente desembocar en el descubrimiento de nuevas partículas en la naturaleza es la historia del descubrimiento de la partícula llamada Omega. Esta historia transcurre en los años 60s. En aquel momentos los físicos conocían ya un vasto catálogo de partículas y se abría con ello un gran abanico de preguntas: ¿Por qué había tantos tipos distintos de partículas sub-atómicas?, ¿había, acaso, una manera conveniente de clasificarlas? Los más osados llegaron a preguntarse si podría una tarea de clasificación tal llevarlos a predecir la existencia de nuevas partículas aún no detectadas. La respuesta por la afirmativa no tardaría en llegar.

A comienzos de la década de 1960, Gell-Mann y Neemann arribaron independientemente a la conclusión de que, en efecto, existía una manera conveniente de clasificar las partículas conocidas hasta ese entonces. El método consistía en organizar el bestiario sub-atómico formando octágonos, y fue por ello que uno de sus padres bautizó al método con el nombre de “la manera óctuple”. Según la manera óctuple de organizar las partículas, éstas se ubican formando octágonos sobre un papel luego de que uno traza sobre éste ejes imaginarios etiquetando sus propiedades, de forma similar a la de esos gráficos con ejes que hacíamos en las clases de matemática en el colegio. Ante la sorpresa de aquellos dos físicos, las partículas no se ubicaban caprichosamente sobre el papel sino que lo hacían formando un patrón definido, armónico, formando octágonos simétricos. Así, aquellos pioneros concluyeron que debía haber alguna razón para tal simetría y que no podían ser esos prolijos octágonos mera casualidad. Al mismo tiempo advirtieron que otro grupo de partículas, primas cercanas a las que formaban octágonos, hacían una gracia similar pero formando triángulos en grupos y ya no solamente octágonos. Nuevamente, aparecía sobre el papel una figura simétrica que remedaba a un triángulo formado por nueve partículas. –Sería un triángulo perfecto si hubiera una décima partícula aquí en la punta– pensó uno de ellos, y así se conjeturó la existencia de Omega-. Esta partícula, cuya existencia fue predicha basándose sólo en la inquietud estética de dos genios que vieron aparecer figuras geométricas en sus cuadernos de notas, fue detectada pocos años después en el acelerador de partículas del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en los Estados Unidos.

Poco más tarde, la manera óctuple dio origen a la teoría de los quarks, que son las partículas de las que, según hoy sabemos, se componen otras partículas tales como la Omega-, los protones y los neutrones. Y la teoría de los quarks me invita a contar a otro ejemplo: Recuerdo cuando, siendo yo un estudiante de segundo año de la universidad, se anunciaba oficialmente el descubrimiento del quark top. Hasta el reciente anuncio del pasado 4 de julio, el quark top detentaba el título de ser la última partícula fundamental en haber sido descubierta. Se trata del quark más pesado de los seis detectados en la naturaleza, y en la dinastía de partículas fundamentales se le reserva un lugar como miembro de una “familia” de partículas cuya existencia había sido predicha a comienzos de los años 70’s por Kobayayi y Maskawa. El quark top fue finalmente observado en los aceleradores de partículas en 1995, dos décadas después de su predicción teórica, regalándonos de esta manera otro ejemplo de cómo las construcciones teóricas no siempre se limitan a la mera descripción de los fenómenos naturales en términos matemáticos sino que, en muchas ocasiones, son estas construcciones las que se adelantan a la misma observación de dichos fenómenos.

Esta digresión invita a preguntarnos cuáles de las predicciones de las más especulativas teorías físicas de la actualidad acabarán finalmente manifestándose en futuros experimentos y observaciones. Construcciones teóricas de la física-matemática tales como la teoría de cuerdas podrían, quizá, terminar prediciendo fenómenos que alguna vez sean observados. ¿Existen en el universo más dimensiones espaciales que las tres que experimentamos cotidianamente?, ¿existe para cada tipo de partícula del Modelo Estándar un alter ego como nos propone la teoría de “la supersimetría”?, ¿cuál es la razón por la cual es más abundante la materia que la anti-materia en el universo?, ¿qué tipo de “materia oscura” es la que ayuda a apelmazar a las galaxias y les impide dispersarse al rotar tan rápidamente?, ¿cuál es el origen de esa “energía oscura” que acicatea al universo a acelerar su expansión? Son éstas preguntas que aún permanecen abiertas y para las cuales los físicos teóricos han ensayado varias posibles respuestas desde hace décadas. El tiempo dirá si alguna de esas teorías resulta ser verdad. Vayamos de a poco.

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