El bosón de Higgs para principiantes

::  Natalia Murillo Quirós  y  Miguel Araya Arguedas ::

Partículas elementales y el Modelo Estándar

Por mucho tiempo se pensó que los protones, neutrones y electrones eran los “ladrillos” básicos de la materia, es decir, que eran las partículas más pequeñas que se podían encontrar en el universo. Sin embargo, el avance de la ciencia, tanto desde el punto de vista teórico como experimental, ha demostrado que existen familias enteras de  partículas, algunas de ellas, inclusive, constituyen a los protones y neutrones mismos y  son, por lo tanto, más fundamentales.

En el contexto del descubrimiento de estas partículas elementales, que tuvo lugar en los años sesentas, se construyó una teoría conocida como el Modelo Estándar que surgió del desarrollo de la física moderna durante el siglo XX, en particular de la teoría cuántica y la teoría de la relatividad. Para este modelo ha sido necesario proponer  la existencia de nuevas partículas, entre ellas el bosón de Higgs. Algunos físicos creen que a partir del  Modelo Estándar se podría llegar a una teoría que explique consistentemente el universo, es decir, una teoría fundamental de la naturaleza.

Caricaturización de las partículas elementales según sus propiedades.  Se le conoce como el Zoológico de Partículas y representa el conjunto de partículas elementales que al día de hoy, se cree, forman el Modelo Estándar. En esta clasificación el bosón de Higgs es aún una partícula teórica, lo  que podría estar a punto de cambiar.

El desarrollo del marco teórico del Modelo Estándar se ha apoyado  en experimentos, en particular los realizados en colisionadores de partículas. Un colisionador es, a grandes rasgos, una construcción inmensa, que puede tener forma de anillo o de pasillo larguísimo, donde se aceleran partículas, normalmente protones. El movimiento les da cantidades grandes (grandísimas) de energía. Estos protones súper energéticos  se hacen colisionar lo que genera nuevas partículas que se convierten en el objeto de estudio de los físicos. Los métodos de detección se han tenido que afinar a través de los años, pues las partículas obtenidas en los colisionadores tienen un tiempo de vida muy corto (muchísimo menos que milésimas de segundo). Las partículas creadas por los choques del colisionador jamás podrían ser observadas en las condiciones que presenta nuestro entorno cotidiano.

Las partículas tienen dos opciones (¿Qué es un bosón?)

Todas las partículas se clasifican como fermiones o bosones dependiendo de sus propiedades:

• Los fermiones, que no pueden ocupar un mismo estado cuántico. Dentro de este grupo están los electrones, que al no poder ocupar un mismo estado, se organizan de diferentes maneras en los átomos. Así un átomo con dos electrones (el helio) posee características muy diferentes a uno con un solo electrón (el hidrógeno). Este comportamiento fermiónico es responsable de la existencia de todos los elementos de la tabla periódica. Los protones también son fermiones

• Los bosones que a diferencia de los fermiones  sí pueden ocupar el mismo estado cuántico (a esta categoría pertenece el Higgs). Las partículas encargadas de transmitir las interacciones en la naturaleza, como por ejemplo las fuerzas electromagnéticas (fotones), son bosones.

Ahora sí, el Bosón de Higgs

Tal vez una de las predicciones teóricas más famosas del Modelo Estándar, tiene que ver con la existencia de un bosón encargado de proveer la propiedad que llamamos masa a las demás partículas elementales.

Generalmente al pensar en la masa se hace una asociación directa con el peso. Lo cierto es que  -aunque-  están relacionados no es la manera más correcta de entender el concepto. La masa es una medida de la oposición de un cuerpo a cambiar su movimiento cuando se le aplica una fuerza (por ejemplo: cuanto mayor es su masa más cuesta empujarlo). A esto se le llama inercia, y la masa es la medida de la inercia de un cuerpo. Cuando se habla del Higgs, nos referimos a ese último concepto de masa.

El bosón de Higgs genera un campo que afecta todo el espacio, se le conoce como campo de Higgs. Las partículas fundamentales que se acoplan con este campo adquieren inercia, cuanta más oposición al movimiento experimente una partícula debido a la interacción con el campo mayor será su masa.  Las partículas que no tienen masa (como los fotones) son, por decirlo de alguna manera, “inmunes” al campo de Higgs y por lo tanto se mueven en él sin oposición alguna.

Esta propuesta fue hecha de forma teórica en 1964 por un grupo de físicos, entre ellos Peter Higgs, a quien el bosón debe su nombre. Los científicos propusieron además que para ser observado se debía llegar a energías muy altas.

Fue necesario entonces el paso de varias décadas para pensar seriamente en poder medir la presencia del bosón de Higgs de forma experimental pues aún en los ochentas ningún experimento se acercaba a la energía requerida para detectarlo. Fue preciso construir colisionadores de última generación, como el Tevatron del FermiLab en los Estados Unidos y, más recientemente, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN en Europa. El costo de construcción y operación de estos centros sobrepasa los cientos de millones de dólares lo que enciende la chispa del debate ¿se justifica semejante gasto para investigación  en ciencia básica? No nos extenderemos en esto ahora pero dejamos abierta la pregunta.

Entre el 3 y el 4 de julio de este año científicos (tanto de Fermilab como del CERN) hicieron un anuncio que podría marcar la historia de la física. Se comunicó el hallazgo de una nueva partícula cuyas propiedades corresponden a las predichas para el bosón de Higgs. Aunque la euforia era evidente, la cautela reinó durante el anuncio; nadie quiere pertenecer a los “bloopers” de la ciencia dando por cierto un descubrimiento de esta magnitud para luego tener que disculparse.  Si bien existe la posibilidad de que se trate de un gran malentendido y para evitarlo los experimentos serán repetidos y los datos analizados nuevamente, es muy probable que, a casi medio siglo de ser propuesto de forma teórica,  estemos ante la confirmación experimental de la existencia del bosón de Higgs.

Este descubrimiento constituiría un paso más en la comprensión de nuestro universo y, sin duda, un triunfo de la ciencia al lograr afianzar aún más las bases del Modelo Estándar. La existencia del bosón de Higgs sería además un voto a favor de la capacidad humana para entender y predecir las propiedades del universo sin más herramientas que su propio pensamiento. Causa un poco de vértigo nada más imaginar el sentimiento que debe embargar a Peter Higgs y sus colegas, al ver que su propuesta, que hace cinco décadas parecía una locura, está a punto de ser confirmada.

Dentro de toda esta expectativa y la innegable alegría de poder presenciar este momento no hay que perder de vista que aún faltan infinidad de cosas por entender. Los misterios del universo son más de los que hemos logrado explicar, cada nuevo descubrimiento trae consigo muchísimas preguntas y es parte de nuestra naturaleza querer contestarlas.

Quedamos a la espera de una confirmación oficial del descubrimiento del bosón de Higgs. Si no se diera, a derribar viejas teorías y plantear otras nuevas, que a fin de cuentas eso es lo que hacemos los físicos.