¡¡Ese Bosón!! ¿Será el origen de la masa?

Tendremos que convenir en el hecho cierto de que, no hemos dejado de hacer inmensos esfuerzos económicos, estructurales y tecnológicos que, unidos a la capacidad humana para idear la manera de profundizar en los secretos de la Naturaleza, nos llevará hasta el… (así escribía la esperanza de que el dichoso Bosón aparecuera) y, ahora que parece que está aquí, con nosotros, nos queda una sensación: El hallazgo no está completo y, muchas son las explicaciones que esperamos y las demostraciones que necesitamos.

El Bosón de Higgs

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”. Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa.

Una voz potente y segura nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la matería?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen entre dicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia. Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

Ya se han lanzado haces de protones a velocidades cercanas a la de la luz, c, en sentidos apuestos y han colisionado entre sí alcanzando energías de hasta 7,5 TeV, han hecho posible que en los ordenadores salgan imágenes como esta de arriba, múltiples caminos trazados por toda clase de objetos infinitesimales que han salido, como escombros de la rotura de esos protones,  y, pudiera ser que, uno de esos rastros dejados en la múltiple dispersión, pudiera haber sido hecha por el Bosón de Higgs.

Para hallar tan minúscula partícula, ha sido necesario construir una de las máquinas más sofisticadas, grandes y caras que hubiéramos podido imaginar, y, además, las energías que aquí serán desatadas nos llevaran al límite de lo que la Humanidad, en este momento, puede conseguir que está en los 14 TeV, una energía muy considerable aunque no suficiente para llegar a sondear las cuerdas que requieren la energía de Planck de 10¹⁹ GeV, algo impensable en esta generación y en las próximas.

¿Qué es el bosón de Higgs? ¿Dónde vive? ¿Que trabajo hace? ¿Que importancia le daría su hallazgo al Modelo Estándar? ¿Será en verdad el artífice de dar más a las demás partículas? y, si es así ¿Qué mecanismos intervienen en esa transmisión?

La idea de que la masa no es intrinseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en la que los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espin de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espin cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs de masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad. Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” [sin dirección] por esa razón.

La interacción débil, recordareis, fue inventada por E. Fermin para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV. Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón Higgs origen de la masa… y algunas cosas más.

Hay que responder montones de preguntas. ¿Cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs y, lo que es más importante, cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión de LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas, o solo las hace incrementarse? ¿Y, cómo podemos saber más al respecto? Como es su partícula, nos cabe esperar que la veamos ahora después de gastar más de 50.000 millones de euros en los elementos necesarios para ello.

Hay quien postula que, las partículas al moverse por el océano de Higgs, interracionan con lo que sea que permea por todo el espacio, esa interacción produce un efecto frenado por el roce y, es precisamente ese efecto frenado de contacto el que hace que la partícula adquiera su masa a medida que se desliza.

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen en entredicho que el concepto de masa sea una tributo fundamental de la materia.  Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron del “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben hacerlo bien, o, cuando el desconocimiento fundamental, está ausente.

Muchos otros son los miterios pendientes de descubrir pero, ahora, es imperativo dar con el Bosón de Higgs. La materia oscura vendrá más tarde y, no sería extraño que, en el m ismo LHC, pudieran aparecer algunas partículas exóticas que nos den noticias de su posible existencia.

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del Universo, añadiendo, pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

El campo de Higgs, tal y como se lo concibe ahora, se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Estas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el campo de Higgs. Por lo tanto, el cuadro que las partículas y la cosmología pintan juntas de un universo primitivo puso y de resplandeciente simetría es demasiado caliente para Higgs. Pero cuando la temperatura caen bajo los 10′⁵ grados kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas. Así por ejemplo, antes de Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada.

El Universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs (que engorda los W y Z, y por alguna razón ignora el fotón) y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe.

Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza W⁺, W^–, Z⁰, y por otra parte una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si para algunas partículas del campo de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviera con dificultad y que las hiciera parecer que tienen mucha masa. Para otras partículas, el Higgs es como el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.

De todas las maneras, es tanta la ignorancia que tenemos sobre el origen de la masa que, nos agarramos como a un clavo ardiendo el que se ahoga, en este caso, a la partícula de Higgs que algunos, han llegado a llamar:

¡La partícula Divina!

Pero, como digo, son otras muchas las cosas que, están en la Naturaleza y que, nuestras mentes, no han llegado a comprender.

Por ejemplo, en una partícula virtual las relaciones que normalmente existen entre las magnitudes físicas de cualquier partícula no tienen por qué cumplirse. En particular, nos interesan dos magnitudes, que seguro que conocéis de sobras: energía y momento.

Normalmente, hay una sóla ecuación que relaciona esas dos variables y la masa de la partícula, E² = m² c⁴+c²p². Eso quiere decir que, dado el valor una variable, automáticamente podemos saber la otra simplemente resolviendo la ecuación. Sin embargo, debido a todo lo que hemos dicho, las partículas virtuales no respetan esta relación. La masa no puede cambiar, porque es una característica intrínseca de la partícula; pero en una partícula virtual la energía y el momento tienen valores raros, que como dijimos se obtienen haciendo media sobre los estados base. No cumplen la relación normal.

Hay que dejar claro que lo dicho no significa una violación en las leyes de conservación de la energía y del momento. Si uno suma la energía de todas las partículas que existen en un determinado momento, virtuales o no, siempre obtiene el mismo valor, la energía se sigue conservando. Y lo mismo para el momento. La única diferencia es que la relación que se suele cumplir entre ambas variables se ha roto, pero por separado ambas se conservan, como debe ser. Que no se cumpla esa ecuacioncita de aspecto tan inocente es sumamente importante, ya que se utiliza para demostrar gran cantidad de fenómenos físicos.

Por ejemplo, seguramente habréis oído muchas veces que nada puede salir de un agujero negro. Ni siquiera la luz. Pues bien, para demostrarlo, es necesario usar la ecuación que relaciona la energía y el momento de una partícula (además de otras muchas cosas).

Pues bien, como hemos ido diciendo, las partículas virtuales violan esa ecuación. Y, por lo tanto, la ley de los agujeros negros no se cumple para ellas. Digamoslo claramente: las partículas virtuales pueden salir del agujero negro.

¡Ya veremos en que termina todo esto!

Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, introdujo la idea en la física de partículas. La utilizaron los teóricos steven Weinberg y Vabduz Salam, que trabajaban por separado, para comprender como se convertía la unificada y simétrica fuerza electrodébil, transmitida por una feliz familia de cuatro partículas mensajeras de masa nula, en dos fuerzas muy diferentes: la QED con un fotón carente de masa y la interacción débil con sus W⁺, W^– y Z⁰ de masa grande. Weinberg y Salam se apoyaron en los trabajos previos de Sheldon Glasgow, quien tras los pasos de Julian Schwinger, sabía sólo que había una teoría electrodébil unificada, coherente, pero no unió todos los detalles. Y estaban Jeffrey Goldstone y Martines Veltman y Gerard’t Hooft. También hay otras a los que había que mencionar, pero lo que siempre pasa, quedan en el olvido de manera muy injusta. Además, ¿Cuántos teóricos hacen falta para encender una bombilla?

El bosón de Higgs es una partícula elemental hipotética masiva cuya existencia es predicha por el modelo estándar de la física de partículas. Desempeña un papel importante en la explicación del origen de la masa de otras partículas elementales, en particular la diferencia entre el fotón (sin masa) y los bosones W y Z (relativamente pesados).

En la pregunta anterios, la verdad es que, casi siempre, han hecho falta muchos. Recordemos el largo recorrido de los múltiples detalle sueltos y físicos que prepararon el terreno para que, llegara Einstein y pudiera, uniéndolo todos, exponer su teoría relativista.

Sobre la idea de Peter Higgs, Veltman, uno de sus arquitectos, dice que es una alfombra bajo la que barremos nuestra ignorancia. Glasgow es menos amable y lo llamó retrete donde echamos las incoherencias de nuestras teorías actuales. La objeción principal: que no tenemos la menor prueba experimental.

Ahora, por fin la tendremos con el LHC, y ésta pega, se la traspasamos directamente a la teoría de supercuerdas.

El modelo estándar es lo bastante fuerte para decirnos que la partícula de Higgs de menor masa (podría haber muchas) debe “pesar” menos de 1 TeV. ¿Por qué? Si tiene más de 1 TeV, el modelo estándar se vuelve incoherente y tenemos la crisis de la unitariedad.

Después de todo esto, llego a la conclusión de que, el campo de Higgs, el modelo estándar y nuestra idea de cómo se hizo el Universo dependen de que se encuentre el bosón de Higgs. Y ahora, por fin, tenemos un acelerador con la energía necesaria para que nos la muestre y que con su potencia pueda crear para nosotros una partícula que pese nada menos que 1 TeV y, como contamos con 14 TeV, se podría suponer que, no sólo encontraremos el Higgs sino que, además, aparecerán algunas otras”curiosidades”.

¡La confianza en nosotros mismos, no tiene límites!

De la “nada”, de pronto surge un destello cegador, un destello de energía que dura unos segundos. Cuando se desvanece, allí queda la serena figura de un hombre.

¿De dónde ha salido? ¿De dónde viene?

Bueno, estimo que sería conveniente que me formuléis esas preguntas dentro de algunos miles de años. Ahora, contestarla no se. De la misma manera es pronto para otras muchas preguntas. Sin embargo, en unos meses, sabremos sobre el bosón de Higgs, hasta hace poco inalcanzable.

¿Pasará igual con las cuerdas?

emilio silvera

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