38 La partícula divina

Mientras caminaba por las Tierras Altas escocesas en 1964, el físico Peter Higgs discurrió una forma de asignar a las partículas su masa. Declaró haber tenido «una gran idea». Las partículas parecen tener mayor masa porque van más despacio cuando flotan en un campo de fuerza, que actualmente se conoce como campo de Higgs. Esta fuerza es transmitida por el bosón de Higgs, al que el ganador del Premio Nobel Lederman se refirió como la «partícula divina».

¿Por qué tienen masa las cosas? Un camión es pesado porque contiene un gran número de átomos, cada uno de los cuales por sí mismo ya es relativamente pesado. El acero contiene átomos de hierro, que se localizan en la parte inferior de la tabla periódica. Pero ¿por qué es pesado un átomo? Después de todo, en su mayor parte es espacio vacío. ¿Por qué un protón es más pesado que un electrón un neutrino, o un fotón?

Aunque las cuatro fuerzas fundamentales o interacciones eran bien conocidas en la década de 1960, todas se apoyaban en partículas mediadoras bastante diferentes. Los fotones transmiten información en las interacciones electromagnéticas, los gluones vinculan a los quarks con la fuerza nuclear fuerte, y los bosones W y Z transmiten fuerzas nucleares débiles. Pero los fotones carecen de masa, mientras que los bosones W y Z son partículas con una elevada masa, cientos de veces tan masivas, como el protón. ¿Por qué son tan diferentes? Esta discrepancia era especialmente aguda dado que las teorías de las fuerzas electromagnética y débil podían combinarse en una fuerza electrodébil. Pero esta teoría no predecía que las partículas transmisoras de fuerza nuclear débil, los bosones W y Z, tuvieran masa. Tenían que ser igual que un fotón, sin masa. Cualquier nueva combinación de fuerzas fundamentales, como pretendía la teoría de gran unificación, también tropezaba con el mismo problema. Los portadores de fuerza no deberían tener masa. ¿Por qué no eran todos como el fotón?

Movimiento lento La gran idea de Higgs fue pensar que esos portadores de fuerzas se deceleraban al pasar por un campo de fuerza de fondo. Actualmente denominado campo de Higgs, también actúa por medio de la transferencia de bosones, llamados bosones de Higgs. Imagine que tiramos una gota en un vaso. Tardará más tiempo en llegar al fondo si el vaso está lleno de agua que si está vacío y lleno de aire. Es como si la gota tuviera una masa mayor al encontrarse dentro del agua, la gravedad tarda más tiempo en atraerla a través del líquido. Lo mismo se podría aplicar a nuestras piernas si camináramos dentro del agua, las notaríamos más pesadas y nuestro movimiento sería más lento. La gota iría aún más despacio si la tiráramos en un vaso de sirope, tardando un rato en hundirse. El campo de Higgs actúa de una forma similar, como un líquido viscoso. La fuerza de Higgs reduce la velocidad de otras partículas portadoras de fuerza, asignándoles efectivamente una masa. Actúa con mayor fuerza sobre los bosones W y Z que sobre los fotones, haciendo que éstos parezcan más pesados.

El campo de Higgs es bastante parecido a un electrón que se mueve por una red de cristal de núcleos cargados positivamente, como un metal. El electrón se decelera un poco porque es atraído por las cargas positivas, de modo que parece tener una masa mayor que en la ausencia de esos iones. Ésta es la fuerza electromagnética en acción, mediada por los fotones. El campo de Higgs funciona de forma similar, pero los bosones de Higgs transmiten la fuerza. También podríamos imaginar que es como una estrella de cine que entra en una fiesta llena de Higgs. La estrella encuentra difícil atravesar la habitación a causa de todas las interacciones sociales que le obligan a ir más despacio.

Si el campo de Higgs asigna una masa a los otros bosones portadores de fuerza, ¿cuál es la masa del bosón de Higgs? ¿Y dónde obtiene su propia masa? ¿No es esto como la situación del huevo y la gallina?

Lamentablemente las teorías no predicen la masa del propio bosón de Higgs, aunque sí predicen la necesidad de que la tenga en el modelo estándar de la física de partículas. Por consiguiente, los físicos esperan observarlo, pero no saben lo difícil que será o cuándo será posible (todavía no se ha detectado). Debido a la búsqueda en curso de partículas con sus propiedades, sabemos que su masa debe ser mayor que las energías alcanzadas de forma experimental. Por lo tanto, es muy pesado, aunque todavía habrá que esperar para saber cuánto.

Revólver humeante La próxima máquina que tratará de detectar la partícula de Higgs es el Gran Colisionador de Hadrones (en inglés, LHC, Large Hadron Collider) del CERN en Suiza. El CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), la Organización Europea para la Investigación Nuclear, es un enorme laboratorio de investigación en física de partículas situado cerca de Ginebra. Las instalaciones cuentan con anillos de túneles, el mayor de los cuales está dispuesto en un círculo de 27 km de longitud a 100 m bajo tierra. En el LHC unos imanes gigantes aceleran protones formando un rayo que sigue la trayectoria de las curvas. Éstos se aceleran de forma continua mientras giran, haciendo que su velocidad aumente sin cesar. Se crearán dos rayos opuestos y, cuando viajen a máxima velocidad, los rayos se dispararán uno contra otro de forma que los protones acelerados colisionen frontalmente. Las enormes energías producidas permitirán que se libere temporalmente toda una variedad de partículas masivas que serán registradas por los detectores, junto con sus productos de desintegración si su vida es muy breve. El objetivo del LHC es encontrar indicios de la partícula de Higgs, enterrada entre miles de millones de otras partículas. Los físicos saben lo que buscan, pero no deja de ser difícil conseguirlo. Si las energías son lo bastante grandes, el Higgs quizá aparezca durante una fracción de segundo, antes de desaparecer en medio de una cascada de partículas. Por consiguiente, en lugar de buscar el propio Higgs, los físicos tienen que buscar un revólver humeante y después volver a poner todas las piezas juntas en su lugar para deducir su existencia.

Ruptura de simetría ¿Cuándo podría aparecer el bosón de Higgs? Y después, ¿cómo podemos llegar hasta los fotones y otros bosones? Como el bosón de Higgs debe de ser muy pesado, sólo puede aparecer a energías extremas y, debido al principio de incertidumbre de Heisenberg (véase capítulo 26), tan sólo durante un tiempo brevísimo. En los albores del universo, las teorías presuponen que todas las fuerzas estaban unidas en una superfuerza. A medida que el universo se enfrió, las cuatro fuerzas fundamentales fueron separándose, a través de un proceso llamado ruptura de simetría.

Aunque la ruptura de simetría es un tanto difícil de imaginar, de hecho es bastante simple. Marca el punto en el que la simetría se elimina de un sistema a través de una ocurrencia. Un ejemplo es cuando tenemos una mesa redonda dispuesta con todos los servicios, cubertería y servilletas. Es simétrica porque no importa dónde se siente cada uno, la mesa siempre será igual. Pero si una persona coge una servilleta, se pierde la simetría, se puede determinar dónde se encuentra uno respecto a esa posición. Se ha producido una ruptura de simetría. Este único suceso tiene unas repercusiones, puede significar que todos los demás comensales cojan la servilleta que tienen a la izquierda, para igualar el evento inicial. Si hubieran cogido la servilleta del lado opuesto, entonces habría sucedido lo contrario. Pero el patrón que sigue viene determinado por un suceso desencadenante aleatorio. Del mismo modo, cuando el universo se enfría, los sucesos hacen que las fuerzas se desacoplen una a una.

Aunque los científicos no consigan detectar el bosón de Higgs con el LHC, el resultado será interesante. Desde los neutrinos hasta el quark cima, hay 14 órdenes de magnitud de masa que el modelo estándar aún necesita explicar. Esto es difícil de llevar a cabo incluso con el bosón de Higgs, que es el ingrediente que falta. Si encontramos esta partícula divina todo saldrá bien, pero si no es así habrá que reajustar el modelo estándar. Y eso requerirá nuevas ideas físicas. Creemos conocer todas las partículas del universo; el bosón de Higgs es el único eslabón perdido.

Cronología:

1687 d. C.: Los Principia de Newton establecen las ecuaciones para la masa.

1964 d. C.: Higgs tiene una intuición sobre qué da masa a las partículas.

2007 d. C.: Se construye el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

La idea en síntesis: nadar contra corriente