¿Se encontrará el Bosón de Higgs, en eso que llamamos...

No son pocos los que postulan que el vacío es superconductor. Fueron el belga Franςois Englert, el americano Robert Brout y el inglés Peter Higgs los que descubrieron que la superconductividad podría ser importante para las partículas elementales. Propusieron un modelo de partículas elementales en el cual partículas eléctricamente cargadas, sin espín, sufrían una condensación de Bose. Esta vez, sin embargo, la condensación no tenía lugar en el interior de la materia sino en el vacío. Las fuerzas entre las partículas tenían que ser elegidas de tal manera que se ahorrara más energía llenando el vacío de estas partículas que dejándolo vacío. Estas partículas no son directamente observables, pero podríamos sentir este estado, en cuyo espacio y tiempo están moviéndose las partículas de Higgs (como se las conoce ahora) con la mínima energía posible, como si el espacio tiempo estuviera completamente vacío.

Las partículas de Higgs son los cuantos del “campo de Higgs”. Una caracterísitca de ese campo es que su energía es mínima cuando el campo tiene una cierta intensidad, y no cuando es nulo. Lo que observamos como espacio vacío no es más que la configuración de campo con la menor energía posible. Si pasamos de la jerga de campo a la de partículas, esto significa que el espacio vacío está realmente lleno de partículas de Higgs que han sufrido una “condensación de Bose”.

Este espacio vacío tiene muchas propiedades en común con el interior de un superconductor. El campo electromagnético aquí también es corto de alcance. Esto está directamente relacionado con el hecho de que, en tal mundo, el fotón tiene cierta masa en reposo.

Y aún tenemos una simetría gauge completa, es decir, la invariancia gauge no se viola en ningún sitio. Y, así, sabemos como transformar un fotón en una partícula “con masa” sin violar la invariancia gauge. Todo lo que tenemos que hacer es añadir estas partículas de Higgs a nuestras ecuaciones. La razón por la que el efecto de la invariancia gauge en las propiedades del fotón es tan diferente ahora es que las ecuaciones están completamente alteradas por la presencia del campo de Higgs en nuestro estado vacío. A veces se dice que el estado vacío rompe la simetría espontáneamente. Esto no es realmente correcto, pero el fenómeno está muy relacionado con otras situaciones en las que se produce espontáneamente una rotura de simetría.

Higgs sólo consideró campos electromagnéticos “ordinarios”, pero, desde luego, sabemos que el fotón ordinario es un vacío auténtico no tiene masa en reposo. Fue Thomas Kibble el que propuso hacer una teoría de Yang Mills superconductora de esta forma, simplemente añadiendo partículas sin espín, con cargas de Yang-Mills en vez de carga ordinaria, y suponer que estas partículas podían experimentar una condensación de Bose. Entonces, el alcance de las interacciones de Yang-Mills se convierten en partículas con espín igual a 1 y masa distinta a cero. Algunos modelos más surgieron a partir de la idea de los campos de Higgs.

Así que, el mecanismo de Higgs-Kibble nos decía que podíamos llamar “vacío” a algo que estaba, en realidad, lleno de partículas invisibles. Veltman, que era muy escéptico con estas ideas, se preguntaba: ¿No delatarían, esas partículas, su presencia por sus campos gravitatorios? Esta pregunta de Veltman me ha hecho pensar a mí, en más de una ocasión, en la materia oscura oculta en esos campos de Higgs, Sin embargo, dejan sentir su fuerza gravitatoria a través de fluctuaciones de vacío.

Todo esto que parece un auténtico rompecabezas, será resuelto de manera definitiva cuando entendamos mucho mejor la teoría de la gravedad cuántica, y, eso, queda aún un poco lejos de nuestro alcance.

La Teoría electrodébil unifica las fuerzas débil y electromagnética adscribiendo las dos interacciones fundamentales, tan diferentes en sus manifestaciones, a un único principio de simetría. El modo en que esta simetría gauge electrodébil queda oculta es una de las cuestiones más importantes que ha de resolver la Física de Partículas. La respuesta más comúnmente aceptada, incorporada a lo que conocemos como Modelo Standard de la Física de Partículas quedó formulada (según antes refería) por Higgs, Brout, Englert y otros en los años 60, el agente de la rotura de la simetría electrodébil es un campo escalar cuyas auto-interacciones seleccionan un estado del vacío en el que la simetría electrodébil queda oculta. El Mecanismo de Higgs como es comúnmente conocido confiere masa a los portadores de la fuerza débil W⁺ y Z por analogía con el efecto Meissner en superconductividad. Este mecanismo abre la puerta a las masas de los quarks y leptones además de dotar de forma al mundo que nos rodea.

El Bosón de Higgs del Modelo Standard de las Partículas elementales (SM) se ha buscado de modo directo en el acelerador e⁺ e^– LEP que produjo un límite inferior para su masa de 114,3 GeV/c² (al 95% de nivel de confianza).

En la actualidad se continúa buscando en el colisionador protón-antiprotón del Tevatrón por los experimentos CDF y D0. En este caso se explora el rango de masa comprendido entre el límite directo obtenido en LEP y aproximadamente 200 GeV/c². Cuando se realiza un ajuste que incluye todos los observables electrodébiles sensibles a través de procesos virtuales a la existencia del Bosón de Higgs del SM, el rango de masa favorecido es m_H< 144 GeV /c² (al 95% del nivel de confianza). Este límite aumenta hasta 182 GeV/c² cuando se incluyen el limite directo obtenido en LEP.

Se espera que el acelerador protón-protón LHC produzca las primeras colisiones a la energía de 14 TeV (se ha llegado a 7 TeV). Ya se han producido en las primeras colisiones experimentos que han explorado la escala de Fermi, es decir, el régimen de energía que corresponde a una energía de alrededor de 1 TeV. Uno de los objetivos principales será el de descubrir el origen del mecanismo de rotura espontánea de la simetría, por lo que la búsqueda del Bosón de Higgs es una de las tareas clave que han de llevar a cabo dichos experimentos CMS y ATLAS.

En LHC se estudiará la partícula de Higgs no sólo para el caso del SM sino también en el marco de varias de sus extensiones, como el MSSM, Little Higgs y otros, en todo el rango de una masa accesible en este colisionador, comenzando por el valor ya excluido en LEP. A partir de los estudios previos realizados por los dos experimentos CMS y ATLAS en su fase de preparación para las colisiones en LHC, es posible concluir, que en un amplio rango de masa del Bosón del Higgs en el SM y muchas de sus extensiones, su descubrimiento será posible con unos pocos fb^-1 de luminosidad integrada.

El valor concreto de la masa de las partículas elementales que hoy conocemos determina muchos de los aspectos de nuestra vida cotidiana y del comportamiento y tamaño del Universo. Por ejemplo, la masa del electrón, determina la escala de longitud de nuestro mundo, a través del radio de Bohr definido como: a = 1/(α_em m_e), si la masa del electrón fuese nula, no existiría siquiera el enlace atómico, si fuese por ejemplo de 0,02 MeV/c², los humanos seríamos gigantes de 45 m. y la luz visible se encontraría en el infrarrojo, y si la masa del electrón fuese como la del muón, el siguiente leptón en la escala de masas, la captura nuclear de electrones sería energéticamente posible y prácticamente el único átomo existente sería el He. Si los quarks no tuvieran masa, o bien m_u= m_d, y por tanto m_p>m_n, el proceso de desintegración del protón sería posible, lo que llevaría a un proceso de nucleosíntesis completamente diferente.

Los pequeños valores de la masa de los quarks u y d dan cuenta de un importante detalle del espectro de los nucleaones. La observación en contra de lo intuitivamente esperado de que el neutrón, neutro, (udd) es 1,29 MeV más masivo que el protón, cargado, (uud)  se puede explicar por el hecho de que mdes más grande que m_u justo por la cantidad necesaria para compensar la mayor energía electromagnética interna del protón. Junto con la fuerza de enlace nuclear esta diferencia de masa entre el neutrón y el protón determinan la estructura de las desintegraciones radiactivas y el conjunto de los núcleos estables.

Si el Bosón W no tuviese masa, o esta fuese mucho menor que su valor de cerca de 80,4 GeV/c², el proceso de fusión en las estrellas, y en particular en nuestro Sol, p+p→D+e+v, determinado por G_F˜ (M_w)^-2 se producirá en un período de tiempo más corto y a menor temperatura, lo que no dejaría humanos en la Tierra.

Podemos decir en en resumen, que los valores concretos de las masas de las partículas que componen la materia, incluso la materia ordinaria, como el electrón los quarks u y d, y la del W son esenciales para la creación y desarrollo del Universo.

Es difícil adentrarse en el mundo de lo infinitesimal, o, incluso hablar de ello, sin un conocimiento muy profundo de las leyes de la Naturaleza que rigen el mundo en el que vivímos y en el que, en un momento dado de la historia del Universo, surgimos como observadores que ahora, queremos desvelar sus secretos. Esos secretos tan bien guardados que tienen encerradas las respuestas a esas muchas preguntas que nadie, hasta el momento, ha sabido contestar.

Nos valemos de nuestro ingenio y construimos máquinas muy sofisticadas para que, puedan llegar hasta donde nosotros no podemos, y, nos puedan facilitar aquellos datos escondidos que no podemos ver, o, detectar, para nosotros, parámetros ocultos que nos podrán hablar de la realidad del mundo que no es, precisamente, el que describen nuestras mentes a través del “sentido común” que, al igual que le pasa a la Relatividad General cuando llega a una singularidad, tampoco sabe, en realidad, lo que tenemos ante nuestros ojos y no sabemos ver, o, bien, tampoco tienen la facultad de ver esos mundos ocultos que la Naturaleza utiliza para esconder sus maravillas. Tal podría ser el caso de los campos de Higgs, situados en eso que llamamos vacío, y, que posiblemente contenga más que este otro lado en el que nos encontramos nosotros. Lo único que nos falta es poder acceder a él (el “vacío”) para poder emitir un juicio verdadero de este Universo nuestro que, lleno de misterios, parece sonreir socarrón ante nuestra ignorancia.

emilio silvera

[?]