El extraño Bosón de Higgs: Una explicación de un NO físico para NO físicos

Pues bien, esta nueva aventura de mi blog tiene que ver en realidad con una obra que encontré hace un par de años en una maravillosa librería cercana a mi lugar de trabajo actual, y se trata del libro de Sean Carroll titulado “La partícula al final del universo”, con algunos años ya pero muy interesante- Entonces, hablaré de lo que leí en esa obra, aunque, para ser sincero totalmente, hay nuevos aportes que han mejorado y ampliado las definiciones de las que hablaré desde mi punto de vista aficionado, por lo que si usted quiere ahondar en este apasionante tema, encontrará gran cantidad de literatura de última nano. 

Ya conocía a Carroll de una obra que leí hace unos cuantos años sobre un tema que me ha intrigado siempre sobre el espacio-tiempo, que se llama “From eternity to here” en la que se analiza algo que es una parte fundamental de la física moderna: La flecha temporal; y también de una serie del Science Channel también de hace unos años. La forma de escribir y de explicar estos conceptos, y encontrar esta obra que no conocía me hizo comprarla solo con ver el título.

Peter Higgs

Con esta introducción debo explicar primero que no soy un físico, cosmólogo, experto en relatividad general o matemático (Ya hubiera querido ser alguno de estos), pero siempre quise tratar de entender esos profundos conceptos de la ciencia que nos muestran la realidad subyacente de nuestro universo.

Para la ciencia moderna, el denominado Bosón de Higgs era una de esas elusivas partículas fundamentales que se habían convertido en una especie de “premio mayor” de la física, y se invirtieron muchos (literalmente miles de millones) de dólares, así como la dedicación de miles de científicos a los largo de más de treinta años, en diferentes instalaciones alrededor del mundo; para lograr detectar la firma indiscutible o al menos deducir con un grado de certeza estadístico lo suficientemente alto, que se había logrado su detección.

Hacia mediados de los 60´s, el físico Peter Higgs (y otros realmente), teorizó la existencia de un nuevo campo que explicaba el mecanismo por el cual las partículas elementales adquirían su masa. El cuanto, o partícula portadora de fuerza de ese campo se denominó Bosón de Higgs. El término seguramente debería llamarse de otro modo, ya que fueron varios los físicos que desarrollaron la teoría y hubiera sido más justo que se llamara de otro modo, pero en física y en general en la ciencia no siempre es así, y muchos términos acuñados a diversos aspectos han tenido un origen similar. Esta historia de la teoría del Campo de Higgs y su bosón (Bosón de Higgs) merecería toda obra por separado para contarla, lo cual se sale de mi alcance y del alcance de este blog.

Pero antes de continuar, sería buena una aclaración muy sencilla sobre algunos de los términos que se utilizan en la física de partículas. Vamos por partes:

- Se entiende por Modelo Estándar a la teoría que relaciona las interacciones fundamentales con las partículas fundamentales conocidas en física, y que componen la materia. En una forma más técnica, es una teoría cuántica de campos, ya que se basa en la teoría cuántica como base de su desarrollo teórico.

- El Modelo Estándar está en este momento incompleto debido a que, a pesar de cumplir consistentemente con las predicciones de tres de las interacciones fundamentales, no incluye la gravedad todavía, y porque se necesitan un número muy alto de parámetros adicionales para que funcione como una teoría unificada que se derive de un solo principio. Por esto se dice que todavía no existe una Teoría Unificada o una Teoría del Todo.

- Se entienden por partículas fundamentales a los constituyentes últimos de la materia, que no se componen de otras partículas (O que no se ha descubierto hasta ahora que se compongan de otras).

- Se entiende por interacciones fundamentales a la forma como se relacionan entre sí las diferentes partículas fundamentales y que se conocen hace un tiempo: Interacción fuerte, interacción débil, interacción electromagnética e interacción gravitatoria.

- Cada interacción fundamental tiene una teoría asociada que la describe: La interacción débil por la Teoría Electrodébil, la interacción fuerte por la Cromodinámica Cuántica (QCD), la interacción electromagnética por la Electrodinámica Cuántica (QED), y la interacción gravitatoria por la Gravedad Cuántica. De éstas, solamente la Gravedad Cuántica no es una teoría única, sino un conjunto de propuestas que tratan de unificar la Teoría Cuántica con la Gravedad.

- Cada una de las interacciones fundamentales se describe como “campos fundamentales”, ya que como dije antes, se trata de teorías de campos cuánticos.

- Los campos fundamentales son una aplicación de la mecánica cuántica a lo que sería un campo continuo que está en todo punto del espacio, y que se comporta como si estuviera compuesto por un número de partículas que no es constante. Esto implica que estas partículas son “creadas” o “destruidas” a partir de estos campos, como si fueran el resultado de “vibraciones” en dichos campos fundamentales.

- La Mecánica Cuántica, en términos muy generales, nos dice cómo entender el comportamiento dual de la materia en su escala más pequeña, o sea su identidad o naturaleza como onda/partícula. Esta dualidad nos lleva a entender que pueden existir una multiplicidad de estados de incertidumbre en las mediciones que se efectúen sobre la materia. Estos estados se describen mediante una serie de ecuaciones diferenciales que resultan en unos estados cuánticos. El desarrollo de la mecánica cuántica ha permitido descifrar muchos de los grandes misterios de la materia, su comportamiento y estructura; y nos permitió tener una revolución en la electrónica. Prácticamente estamos rodeados de aplicaciones tecnológicas que funcionan gracias a los conceptos aplicados del desarrollo de esta teoría.

Esta ilustración muestra la simulación del decaimiento de un Bosón de Higgs.

 

Discover's web site and Picnik-ed it

Con algo de claridad, ahora puedo tratar de avanzar un poco. 

El Modelo Estándar de la física, define que las partículas fundamentales son de dos tipos: Los Fermiones y los Bosones. Según esto, los fermiones son las partículas que ocupan espacio y no pueden por lo tanto ocupar dos o más de ellos el mismo espacio, y componen la materia normal como el computador en el que lees mi blog, y los bosones, que no ocupan espacio y pueden ocupar muchos de ellos el mismo espacio, lo que permite que creen campos de fuerza macroscópicos como el electromagnético o el gravitatorio.

A su vez, los fermiones, de los cuales se han clasificado doce, se dividen a su vez en dos grandes grupos: los que “sienten” la interacción fuerte o quarks y los que no la “sienten” o leptones. Como los quarks son sensibles a la interacción fuerte, son partículas que permanecen en un estado de confinamiento con otras, los cuales terminan formando las partículas conocidas como Hadrones, lo que no ocurre con los leptones, que no están confinados. Este estado de confinamiento quiere decir que no se encuentran solos sino asociados con otros.

Entre los leptones podemos contar al electrón o los diversos tipos de neutrinos, no así al protón o al neutrón, que se componen a su vez de quarks.

Volviendo a nuestro tema, hacia 1964 ya se habían propuesto varias teorías sobre el mecanismo mediante el cual se podrían explicar las contradicciones surgidas de los adelantos en la mecánica cuántica y los desarrollos en el campo de los superconductores, de donde surgía la necesidad la tener unas partículas portadoras de energía que tuviesen masa, lo que llevaba a la indiscutible pregunta sobre qué sería lo que hacía que los bosones que comunican las fuerzas adquirieran masa. Fue en ese año, cuando tres grupos diferentes de físicos proponen independientemente en sus trabajos, una explicación de cómo algo denominado “ruptura espontánea de una simetría local” no podría producir bosones sin masa; en su lugar, se producían partículas con masa que daban lugar a interacciones de corto alcance. Entre esos grupos, estaba el de Peter Higgs, quien publicó dos artículos al respecto. Los otros eran los grupos de Englert y Rout, y el grupo de Hagen y Guralnik. 

Y entonces… ¿Qué es el Bosón de Higgs? Ya vimos que los bosones son “partículas” portadoras de una fuerza determinada, y son las que hacen posible las interacciones entre las partículas fundamentales, de otro modo, el universo sería en realidad un sitio muy aburrido, con una sopa interminable de partículas viajando en todas direcciones, sin interactuar nunca… No existiría nada más que una sopa de partículas, y no estarías leyendo este blog. 

Pero, también como dije hace un momento, el Modelo Estándar nos presenta una clara división entre las partículas de materia y las de fuerza, pero el bosón de Higgs es como dice Carroll, el “patito feo” de toda la familia, porque es diferente al resto, y hace que el Modelo Estándar no sea tan elegante como se pensaba o como se tenía organizado hasta mediados de los 60´s. La pregunta que surge casi que naturalmente es porqué era necesario un “engendro” extraño en medio de esa perfección del Modelo Estándar; y la respuesta es sencilla: Sin el Bosón de Higgs, el Modelo Estándar sería del todo diferente, y además, nuestro universo no se parecería en nada al actual como explicamos ya. 

En esta teoría cuántica de campos, el Campo de Higgs permea todo, y al contrario de los demás campos de la teoría, su valor en cualquier punto tiende a ser diferente de cero, que es constante y no nulo como pueden ser los demás campos. Es esta interacción de los demás campos con el Campo de Higgs, la que hace que las partículas que surgen de dichos campos tengan la propiedad que llamamos masa, cuando las partículas se desplazan a través de éste e intercambian las partículas de fuerza del campo (Bosones de Higgs). Entonces, las partículas se mueven dentro del Campo de Higgs como si fueran peces en un acuario; a mayor interacción con las vibraciones (partículas) de los otros campos, mayor será la masa de ésta y viceversa.

Esa es la real importancia del Bosón de Higgs, ya que permite que las diferentes partículas tengan diferentes masas. Sin éste, toda la teoría física de partículas tendría que haberse echado abajo y buscar una mejor explicación de porqué las partículas tienen masa y viajar más lento que la velocidad de la luz, y no un conjunto de partículas sin masa, todas moviendo en línea recta, sin interactuar y viajando a la velocidad de la luz.

La búsqueda llevó más de treinta años de teorías, de refinamiento de estas, de la construcción de maravillas de ingeniería de tamaños descomunales para buscar algo que está al límite de los discernible en la naturaleza, a unas escalas inimaginablemente pequeñas. La historia de su descubrimiento llevó desde los primeros aceleradores de partículas, a los no construidos super-aceleradores y finalmente al conjunto de experimentos del CERN en el Gran Colisionador de Hadrones, en especial ATLAS y CMS, quienes encontraron los resultados que permitieron encontrar (hasta donde los límites del análisis estadístico lo permiten) la prueba de la existencia de la elusiva partícula conocida como Bosón de Higgs. Parece un contrasentido que para hallar lo más pequeño deban construirse las máquinas más grandes jamás construidas por el hombre, y luego de gastar cientos de miles de millones de dólares en su desarrollo y mantenimiento.

Explicación g´rafica del mecanismo de HIggs

¿qué sigue ahora? El descubrimiento del Higgs abre toda una nueva perspectiva en la investigación de la física de partículas, y tal vez llevará a la construcción de aceleradores más grandes para seguir desentrañando los misterios y llevarnos un paso más allá en nuestra búsqueda de respuestas a preguntas que siempre nos seguiremos haciendo: ¿Por qué todo es como es y no de otra manera?, ¿Existe una “Teoría del Todo” que podamos discernir algún día?, ¿Estamos llegando a los límites de las bases del universo?, ¿Cómo podremos aprovechar ese nuevo conocimiento en nuestras vidas o en nuestra tecnología?... Es maravilloso que un descubrimiento como este, en lugar de darnos un descanso, nos espolee para seguir con más ánimo buscando nuevas respuestas y haciendo nuevas preguntas, porque al final, nunca dejaremos de ser lo que somos, y nunca dejaremos de lado nuestra naturaleza innata de querer conocer más… y más…

Gracias por haber leído esta pequeña explicación. Espero que haya servido para mover algo dentro tuyo y te haya hecho pensar lo maravilloso que tiene la naturaleza para enseñarnos.