El bosón de Higgs, la partícula de Dios

Los físicos Peter Higgs y François Englert, recientes ganadores del Premio Nobel de Física, y el CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear) recibirán a finales del mes de octubre el Premio Príncipe de Asturias de Investigación 2013 en reconocimiento al descubrimiento del ya famoso “bosón de Higgs”, la “partícula de Dios” como también se le conoce, a la que se atribuye la clave del origen de la materia del universo. Fue el propio CERN quien gracias al mayor acelerador de partículas del mundo, el “Gran Colisionador de Hadrones” (en inglés, LHC), recreó finalmente las condiciones existentes un instante después del Big Bang que permitieron confirmar la presencia del bosón.

Todo lo que nos rodea, desde la naturaleza a cualquier objeto, está formado por átomos que a su vez se componen de unas pocas partículas. Algo aprendido en nuestros años de estudio, hasta el punto de decir que con electrones, protones y neutrones se podía formar cualquier átomo. Esto que nos suena a conocido, se dice ahora desde un lenguaje más internacional como: “la materia visible está formada por solo tres tipos de partículas: electrones, quarks up y quarks down”, donde los quarks up y quarks down son partículas que sirven para formar los protones y neutrones. Con una aclaración, la masa de los quarks tan solo supone el 5 % de la masa total de estos últimos; el resto proviene de añadir la energía de enlace de otras partículas que los rodean. En la actualidad se conocen muchas otras (muon, quark top, quark bottom,…) distintas a las llamadas “normales”, que tan solo hacen referencia a la materia visible.

Lo dicho anteriormente de una forma resumida quizás merezca una explicación más amplia. A ser posible sencilla para que llegue a la comprensión de un profano o con pequeños conocimientos de física. Lo intentaremos.

 Atomo 01.3.Hidrógeno pesado con un proton, un neutron, y un electron. Figura original de Michael NortonÁtomo de hidrógeno pesado (deuterio) con un protón, un neutrón y un electrón. Figura original de Michael Norton

En primer lugar decir que el término quark se utiliza para designar a las partes más pequeñas de la materia, que en el siglo XIX se creía eran los átomos (de la palabra griega atomos, que significa “indivisible”). Los grandes avances técnicos de la electrónica y la radiactividad han demostrado que no es así. En un pequeño recorrido por la historia recordaremos que fue JJ Thomson en 1897 quien descubrió el electrón (carga negativa) en las capas exteriores. Más tarde, en 1920, se encontró el protón (carga positiva), y en 1932 el neutrón (carga neutra). Estás tres partículas constituyeron el conocido modelo atómico de Bohr con el que se descubrieron los átomos que conforman la materia y por tanto los elementos químicos.

Pero la teoría de Bohr no aclaraba las dudas observadas en ciertos experimentos (“anomalías no resueltas”, se les llamó), hasta que un grupo de científicos comenzó a extender la idea de la existencia de partículas más pequeñas que las entonces conocidas. Así nació por ejemplo el positrón (misma masa que el electrón, pero con carga positiva), cuya teoría se demostró con la radiación cósmica. Éste y otros trabajos permitieron encontrar también la antimateria (y crearla en los laboratorios) y muchas otras partículas, la mayoría con una vida muy corta, que a su vez se convertían en otras o se transformaban finalmente en radiación. En la actualidad se sabe que todas están formadas por quarks, que a su vez se dividen en tres clases: leptones (electrón y su neutrino) y quarks up (protón) y quarks down (neutrón), también llamados nucleones. En 1995, con el descubrimiento del quark top, se puede decir que comienza para los científicos la gran tarea de explicar el origen de la masa de las partículas elementales. Un gran obstáculo que más tarde se encontró con otro mayor: la confirmación de la existencia de la partícula de Higgs, su famoso bosón, una de las razones más importantes por las que se construyó el gran acelerador de partículas (LHC) del CERN en Suiza.

En 1964 el físico inglés Peter Higgs hizo una propuesta que resumida decía: “todo el espacio está relleno de un campo (que no podemos ver) que interacciona con las partículas elementales”. La intensidad de esa interacción es la que determina la masa de las partículas. Se le llamó “campo de Higgs” y a su partícula asociada “bosón de Higgs”, y es la respuesta al origen de la masa de las partículas fundamentales. De ahí que el electrón, que interactúa muy poco, tenga una masa tan pequeña, y en el caso del quark top, por ejemplo, se produzca el fenómeno contrario. Sin masa el Universo sería muy diferente.

Sin título-1 Peter Higgs en el interior del detector CMS en el CERN

¿Por qué unas partículas tienen masa y otras no? En un principio no se comprendía muy bien por que las distintas partículas tenían masas tan diferentes (el quark top por ejemplo es 350000 veces mayor que el electrón). Fueron Peter Higgs, por una parte, y Francois Englert, junto a Robert Brout (ya fallecido), por otra, quienes predijeron al mismo tiempo y de manera independiente la existencia de esa “nueva” partícula elemental. Higgs lo planteó como el agente que dio masa a la materia hace 13700 millones de años tras el Big Bang, e hizo posible la formación de estrellas y planetas, y para muchos hasta la aparición de vida. Sin embargo, habían fallado todos los esfuerzos por encontrarla. Incluso ahora, que todo el mundo lo da por hecho, la realidad es que el anuncio realizado en julio de 2012 por el CERN del descubrimiento de lo que podría ser el deseado bosón de Higgs todavía no ha sido confirmado con certeza científica. Así lo explicaba la física belga Martine Bosman que preside el Consejo de Colaboración del ATLAS, uno de los dos experimentos (el otro es el CMS) en los que se ha trabajado para la detección del bosón de Higgs:

“Puede parecer un poco extraño, pero ese es en realidad el éxito de la teoría. Tenemos lo que llamamos el modelo estándar de la física de partículas, el modelo teórico que describe las partículas elementales y todas sus interacciones. Se han hecho muchos experimentos de todo tipo anteriores al actual, ese modelo funcionaba muy bien y lo conocemos a fondo, pero le faltaba esta pieza que es el bosón de Higgs. Sus propiedades se pueden inferir de la teoría y se conocen bastante bien, excepto su masa. Podríamos hablar de que el resultado estaba programado en el sentido de que era lo que cabía esperar dentro de este modelo estándar”.

“Hemos encontrado una partícula que se parece bastante al bosón de Higgs, pero somos todavía prudentes, hay que tomar más datos y medir sus propiedades con precisión para ratificar ese resultado. Es como el principio de una nueva era, porque sabemos que hay física más allá de ese modelo estándar. El acelerador funcionará hasta final de año. Después se parará durante año y medio para incrementar la energía, lo que nos permitirá alcanzar otras partículas. Entraremos en un terreno en el que no hay previsiones precisas. Hay muchas teorías que complementan el modelo estándar, pero son muy distintas y anticipan cosas muy dispares”.

“Es la pieza que faltaba en lo que llamamos el modelo estándar de la física, el modelo con el cual podemos describir las partículas que conocemos, cómo interaccionan, todas las medidas que se han podido hacer hasta ahora… pero faltaba un mecanismo para explicar cómo se genera la masa de la partícula, que es algo fundamental. Si no hay masa de la partícula, no existiría el mundo tal y como lo conocemos. Es lo que llamamos el mecanismo de Higgs”.

En el vídeo de abajo podemos ver una explicación muy sencilla de todo lo expuesto hasta ahora.

En cualquier caso, las aplicaciones de este descubrimiento no serán inmediatas. Cuando en el verano de 2012, el director general del CERN, Rolf Heuer, calificó de avance “histórico” el experimento, ya advirtió que aún quedaba mucho trabajo por delante. El bosón de Higgs es la última partícula de lo que se denomina el Modelo Estándar. Higgs describió las ecuaciones que predecían su existencia para que el modelo funcione. Los experimentos realizados la hallaron justo donde su mecanismo auguraba, pero el trabajo de la gran ciencia, como el realizado en el LHC de Ginebra, ha tardado en dar con ella. Su dificultad residía en que con un tiempo de vida muy corto, era demasiado inestable para ser vista directamente y rápidamente se transformaba en otro tipo de partículas. Pero se esperaba que dejase huellas de su presencia en los detectores del LHC, pues en caso contrario los pilares sobre los que se asienta la física actual quedarían invalidados.

La partícula de Dios 01Parece que el apodo “partícula de Dios”, como también se conoce al bosón de Higgs, nunca estuvo mejor puesto. Aunque lo cierto es que no tiene nada que ver con Dios o la religión en sí. La realidad es que ese nombre se debe a la fuerte oposición del editor de Leon M. Lederman (premio Nobel de Física en 1988) y Dick Teresi (escritor científico) para que su libro sobre el bosón de Higgs escrito en 1993, y en el que se hace un breve repaso sobre la historia de la física de las partículas, llevase por título “La Maldita Partícula” (“Goddamn Particle”). Los autores pensaban que una partícula tan escurridiza, y que tanto presupuesto se estaba llevando para ser descubierta, no se merecía otro calificativo que el de “maldita”. Pero como esa palabra daba lugar a un amplio abanico de interpretaciones, entre ellas (para algunos) “la partícula maldita de Dios”, cedieron finalmente a la presión de la editorial y lo publicaron bajo el título “La Partícula de Dios: Si el universo es la respuesta, ¿Cuál es la pregunta?” (The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question?). A partir de ese momento fueron muchos los que comenzaron a hablar del bosón de Higgs como la partícula de Dios.

El descubrimiento del bosón de Higgs anunciado el 4 de julio de 2012 en medio de una gran expectación científica en el auditorio principal del CERN en Ginebra supuso el premio a casi medio siglo de enormes dificultades experimentales para su detección precisa e inequívoca. Fue identificado por los detectores ATLAS y CMS del acelerador de partículas LHC del CERN, situado por razones de seguridad en el interior de los túneles que rodean el lago de Ginebra, en la frontera entre Francia y Suiza, a causa de la radiación provocada. Una máquina capaz de generar suficiente energía para producir bosones similares a los surgidos del Big Bang. Gracias a sus imanes superconductores, los más potentes del mundo, se consiguió que los protones utilizados como materia prima una vez acelerados chocasen frontalmente a velocidades cercanas a la de la luz. Como consecuencia de las altas energías liberadas en las colisiones, los protones se desintegraron formando otras partículas más elementales entre las que por fin se encontró el tan deseado bosón de Higgs.

1804-2012 ha sido el largo camino desde el descubrimiento del átomo hasta el hallazgo de la partícula de Higgs. Esperemos que se confirme con total certeza científica.


Vídeo explicativo sobre el campo de Higgs

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