Ciencias Físicas y sus personajes

La vida de la ciencia

Y el Premio Nobel de Física es para… Englert y Higgs

Carlos Muñoz

Con el descubrimiento del bosón de Higgs se culmina el modelo estándar de la Física de Partículas. En este artículo revisamos la historia y la física detrás de este gran descubrimiento. Desde por qué sólo Englert y Higgs han recibido el Premio Nobel, hasta qué es eso del vacío de Higgs y cómo contribuye a generar las masas de las partículas elementales.

El Nobel, ¿por qué?

Desde que el 4 de julio de 2012, los representantes de los experimentos CMS y ATLAS del LHC anunciaron el CERN que tenían evidencias del haber detectado el bosón de Higgs, el Nobel estaba cantado. ¿Por qué?

· Primero, porque “el Higgs” es una nueva partícula elemental con propiedades muy especiales.

Tiene una masa enorme, 125 veces mayor que la del protón. Solamente el quark top es más pesado. Además, es la primera partícula con espín 0 (es un escalar). Todas las demás partículas son fermiones con espín ¹/2, como los quarks, electrones y neutrinos, o bosones (de gauge) con espín 1 como los fotones, los gluones y los W y Z.

· Segundo, y todavía más espectacular, porque el (campo de) Higgs define el vacío de la naturaleza, es de hecho el propio vacío.

En la teoría cuántica de campos que describe el mundo de las partículas elementales, éstas no son los objetos fundamentales sino los campos. Las partículas son las excitaciones energéticas de los campos. Lo podemos entender intuitivamente si pensamos en el campo electromagnético.

Si creamos un campo que se distribuye por el espacio y lo perturbamos (por ejemplo el campo creado por un electrón cuando éste se acelera), la perturbación se propaga en forma de ondas electromagnéticas (como la luz) que no son más que las partículas llamadas fotones. El campo es como el agua de un estanque y las partículas son como las ondas de agua que se producen cuando lanzamos una piedra.

De manera semejante al fotón, el electrón está asociado a las vibraciones del campo del electrón o el Higgs a las vibraciones del campo de Higgs. En este último caso, dada la enorme masa del Higgs, esas vibraciones tan energéticas sólo se pueden producir en un acelerador como el LHC donde los protones colisionan a una velocidad próxima a la de la luz.  Hay que tirar una piedra muy pesada para que las ondas sean muy grandes.

Pero hay una diferencia crucial entre el campo de Higgs y el resto de los campos. Intuitivamente diríamos que el valor de cualquier campo en el vacío debería ser nulo, porque parece lógico que en el vacío no haya nada, al igual que un estanque vacío no tiene agua. Sin embargo, el campo de Higgs tiene un valor ¡no nulo! Es como si no pudiésemos vaciar el estanque del todo y siempre quedase un cierto nivel de agua. Es decir, que el vacío cuántico está lleno del campo de Higgs. El campo de Higgs está en todas partes, permea todo el universo.

Dado que en Mecánica Cuántica el vacío se define como el estado de mínima energía y en nuestro vacío siempre está en el campo de Higgs y por tanto hay energía, podemos decir que el vacío es un vacío de Higgs. Por eso el Higgs tiene espín 0, porque el vacío no puede tener orientaciones especiales.

· Y el tercero, porque el campo de Higgs genera las masas de todas las partículas elementales. ¿Quién da más por menos?

Lo podemos entender intuitivamente de la siguiente manera. Cuando las partículas elementales se mueven en el vacío (de Higgs), están interaccionando con el campo de Higgs del que está lleno dicho vacío. Las que más interaccionan tienen mayor masa porque es como si “rozasen” mucho con el campo y se viesen frenadas en su movimiento, como un objeto que se desplazase dentro del agua del estanque. Las que interaccionan menos se mueven más fácilmente y decimos que tienen menos masa. Como toda explicación intuitiva del mundo cuántico, ésta también es imperfecta porque el rozamiento no existe en ese mundo y por tanto las partículas con una velocidad dada no acabarán parándose. La interacción/rozamiento con el campo/fluido de Higgs sólo les produce el efecto de una masa.

No vamos a negar la evidencia, lo del campo de Higgs se parece mucho a la idea fallida del éter del siglo XIX, que lo permeaba todo para que las ondas electromagnéticas se pudiesen propagar en lo que aparentemente era espacio vacío, pero que en realidad estaba lleno del éter. El mecanismo resucitó en el siglo XX convertido en el campo de Higgs, pero de una forma que es compatible con la relatividad espacial y los experimentos nos dicen en el siglo XXI que ¡funciona!

El Nobel ¿Para quién?

La idea del Higgs surgió de cálculos teóricos hace la friolera de cuarenta y nueve años. ¿No merecen ser entonces los teóricos los primeros que reciban los honores del Nobel?, no sólo por el tiempo que lo han estado esperando, sino también por la extraordinaria imaginación que tuvieron al proponer tan extraña partícula y el espectacular mecanismo al que está asociada, que hace que se generen las masas de todas las demás partículas. Además, ¿quién se hubiese atrevido a escoger a tan sólo unos pocos experimentales entre todos los muchos que han contribuido a construir y manejar esa máquina monstruosa que es el LHC? Los estatutos de la Fundación Nobel dicen: “In no case may a prize be divided between more than three persons”. Lo que hay que reconocer es que sin el descubrimiento de los experimentales, los teóricos seguirían sin su premio, y así lo viene a expresar el Comité Nobel cuando en su anuncio dice “for the theoretical Discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin off mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN’s Large Hadron Collider”.

En realidad, la historia no se acaba con los trabajos de EB y Higgs (EBH) de 1964. El 12 de octubre del mismo año se recibe un artículo escrito por los estadounidenses Guralnik y Hagen y por el británico Kibble (GHK), donde proponen el mismo mecanismo para generar las masas de los bosones de gauge. ¿Se les debería haber considerado también para el Nobel? Por desgracia para ellos, su trabajo llegó a la revista tres meses y medio más tarde que el de EB. Además, en el artículo de GHK aparecen citados los tres trabajos anteriores de EBH y por tanto el Comité Nobel no pudo tener la seguridad de que no los hubiesen usado para sus propios resultados.

3. El Higgs, ¿por qué culmina el modelo estándar?

Con el descubrimiento de Higgs, que confirma el mecanismo con el que las partículas adquieren masa, podemos celebrar con orgullo la culminación del modelo estándar de la Física de Partículas. Sin embargo, no fueron EBH quienes aplicaron su mecanismo a la teoría correcta, al concentrarse erróneamente en su aplicación a los modelos hadrónicos. El honor le correspondió al estadounidense Weinberg y al paquistaní Salam, cuando de manera independiente se encajaron todas las piezas del rompecabezas en 1967 y construyeron la teoría electrodébil. Para ello aplicaron el mecanismo de EHB al modelo de los leptones del estadounidense Glashow (los tres recibieron el Nobel en 1979), de forma que consiguieron generar masas para los bosones mediadores de la interacción débil W y Z a través de un valor no nulo en el vacío para el campo de Higgs. Asimismo, acoplando el campo de Higgs a los leptones (electrón, muon, tau) consiguieron generar las masas de estos últimos.

Posteriormente, en 1971 los holandeses ‘t Hooft y Veltman (Premios Nobel 1999) demuestran que gracias al mecanismo de EBH el modelo de Weinberg-Salam es renormalizable, es decir que es matemáticamente consistente y que no se obtienen infinitos cuando se calculan por ejemplo choques de partículas en aceleradores. El italiano Rubbia y el holandés van der Meer (Premios Nobel 1984), descubrieron los bosones W y Z en el CERN en 1983, con las masas predichas de la teoría electrodébil.

En 1973 se acabó de construir la teoría de las interacciones fuertes entre gluones y quarks, donde estos últimos, al igual que los leptones, adquieren masa a través del mecanismo de EBH. De esta forma, la estructura del modelo estándar englobando a las interacciones fuertes y electrodébiles quedaba establecida.

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