El modelo estándar
Hace 124 años Michelson y Morley publicaron su crucial experimento. Se trataba de medir el movimiento de la Tierra con relación al éter, la interpretación newtoniana del vacío como la trama del espacio absoluto. Mucho después aún estamos intentando entender el vacío, con medios como el tupido entramado de aceleradores del CERN (Figura 1) y varios de sus detectores, como CMS y ATLAS (Foto 1) DESTACADOSGlosario de materia y energíaPerfil: Álvaro de Rújulaque ya no son experimentos de mesa. El fracaso de Michelson y Morley acabaría apuntalando la visión einsteniana: el vacío no es un escenario en el que las cosas están o se mueven. Al contrario, esas mismas cosas configuran el espacio-tiempo en el que están.

Las “teorías cuánticas relativistas” predictivas –llamadas teorías de campos “renormalizables”– tienen la particularidad de que, en ellas, lo que no está prohibido es obligatorio, como en las dictaduras. Para que la teoría prohíba un proceso no observado es necesario que una simetría de la teoría lo haga. De otro modo las correccio­nes “cuánticas” (en potencias sucesivas de la constante de Plank) lo generan, con una amplitud impredecible, para más inri.

El modelo estándar es una tal teoría, en la que se basa nuestro entendimiento de las partículas elementales y sus interacciones. Ab initio, una de sus simetrías, misteriosamente llamada “de calibre (gauge)” prohíbe que las partículas tengan las masas no nulas que caracterizan a su gran mayoría; solo fotones y “gluones” tienen masas cero. Romper la simetría a mano no funciona, El modelo estándar es una tal teoría, en la que se basa nuestro entendimiento de las partículas elementales y sus interaccionesla teoría pierde su capacidad predictiva, adquiriendo infinitos parámetros arbitrarios. En nuestro inescrutable lenguaje litúrgico, la teoría deja de ser renormalizable.

Para salir del atolladero es necesario que la rotura de la simetría sea “espontánea”. Un perdigón en el fondo de una probeta vertical está en una posición simétrica (en el eje) y estable (en el fondo). Calentemos la probeta y deformémosla hasta que su fondo se parezca al de una botella. Si realizamos la operación con inconmensurable destreza, la bola se quedará en el eje, posición simétrica, pero inestable. De otro modo se caerá en una dirección cualquiera; la simetría original se ha roto espontáneamente: hay una dirección preferente, que pudiera haber sido cualquier otra. Como en un ferroimán “de Heisenberg” en el que los espines de los átomos interaccionan entre ellos y, por debajo de una temperatura crítica, se alinean espontáneamente. La teoría tiene una simetría (todas las direcciones son equivalentes) aunque sus soluciones de mínima energía (el imán frío) apunten en una dirección espontáneamente generada.

El mecanismo de Higgs
La energía gravitacional o la de interacción entre espines  del párrafo anterior se describen como “potenciales” de interacción. El modelo estándar incluye el potencial de un hipotético campo escalar (de espín cero): el campo “de Higgs”. En el estado de mínima energía (¡el vacío!), el campo rompe la simetría gauge y una de sus componentes, que es neutra, adquiere un valor constante no nulo (su valor en el vacío). La teoría “rota” tiene pues un vacío que no está vacío, sino permeado por una “substancia”: un  campo constante. A diferencia del viejo éter, este vacío es invariante relativista (es el mismo para un observador que para otros en movimiento respecto a él) y hasta invariante general-relativista (el valor del campo en el vacío no se diluye, aunque el universo se expanda).

Una vez añadido el campo escalar, todo lo del párrafo anterior “le pasa” al modelo estándar,  pero también –inevitablemente– le pasan otras cosas. Las partículas de espín ½ (como el electrón y los quarks) adquieren masa, puesto que su interacción con el vacío –que ya no lo está– tiene ahora la forma (única e inevitable) de un “término” de masa. Algo aún más sorprendente le pasa a los “bosones intermediarios” (W+ , W- y Z0), las partículas  de espín 1 mediadoras de las interacciones débiles, responsables, por ejemplo, de la radiactividad natural. De entrada tienen masa nula y, como Siguiendo una más antigua tradición, opino que, el bosón de Higgs debería de llamarse el “kenonón”, del griego kenon, “vacío”el fotón, dos estados de polarización. Una vez que la simetría de gauge está rota, adquieren masa, lo cual requiere un tercer estado de polarización o “grado de libertad”. Este grado lo heredan de las otras tres componentes del campo de Higgs, que de entrada tiene cuatro: dos eléctricamente cargadas y dos neutras, solo una de las cuales sobrevive como el campo que “llena” el vacío.

Hay que admitir que todo lo anterior suena a cuento, pero no lo es: el modelo estándar describe lo observado con precisión impresionante. Su parte mejor comprobada es la “electrodinámica cuántica”: la interacción del fotón con las partículas cargadas (la carga eléctrica es la capacidad de emitir o absorber fotones). Puede uno predecir, por ejemplo, el cociente giro-magnético del electrón: la intensidad con la que se comporta como un imán puntual. Observación y teoría son crecientemente precisas y coinciden hoy en día en 14 (¡catorce!) cifras significativas. Las interacciones fuertes (entre quarks) y débiles no están medidas con precisión tan espeluznante, pero sí la suficiente como para indicarnos que vamos por buen camino. El cociente de masas M(W)/M(Z), siendo M la masa y W y Z los bosones intermediarios, es el predicho por el “mecanismo” de Higgs que he esbozado.

Foto 1. Una vista parcial de ATLAS, uno de los detectores del LHC, en su subterráneo punto de colisión, durante su ensamblaje. Atlas mide 25 m de alto y 46 de largo y pesa 7.000 toneladas, casi como la torre Eiffel. El detector incluye 3.000 km de cables y tiene 100 millones de canales electrónicos, además de incontables componentes de variadas tecnologías de punta. Fuente: CERN.

El bosón de Higgs
A todo este edificio estándar le falta una constatación: el descubrimiento del “bosón de Higgs”. Ya va siendo hora de recordar que un bosón es una partícula de espín entero, como el fotón, cuyo espín es la unidad. Un fermión (como el electrón) es una partícula de espín semi-entero (½ en este caso). Los fermiones son asociales: solo cabe uno en un estado cuántico determinado. Los bosones, como los hinchas, son lo contrario: añadirlos sucesivamente en el mismo estado cuesta cada vez menos energía.

Al sacudir una substancia cualquiera, vibra. Las vibraciones de campos electromagnéticos, por ejemplo, son la luz. A un nivel elemental, las vibraciones son cuantos (o partículas): fotones este caso. Si existe una substancia, el campo de Higgs que permea el vacío, la podríamos también “sacudir” con energía suficiente como para crear sus correspondientes cuantos (bosones de Higgs) de masa aún desconocida.

En buena liza, el bosón de Higgs debería llamarse de Peter Higgs, François Englert y Robert Brout y quizás de algunos más. Los físicos de partículas hemos perdido con este bosón la ocasión de darle un mejor nombre; algunos intentos que no citaré son patéticos. La tradición es bautizar a las partículas con nombres absurdos, como “quarks” y a las teorías con nombres engañosos y rimbombantes, como “cromodinámica cuántica”. Siguiendo una más antigua tradición, opino que, el bosón de Higgs debería de llamarse el “kenonón”, del griego kenon, “vacío”. Sin decencia poética, lo solemos llamar “el Higgs”. Como quién dijese “el Litri”.

El LHC
El Large Hadron Collider (LHC) del CERN es un colisionador de hadrones: partículas constituidas por quarks o por quarks y antiquarks, cuyas interacciones “cromodinámicas” están mediadas por gluones y son fuertes. Protones, neutrones y los núcleos de los átomos son hadrones, P=(uud), N=(udd), siendo u y d los quarks “up” y “down” (como de costumbre, ni up ni down tienen el sentido que debería ser habitual).

En el LHC se hacen colisionar desde protones hasta núcleos de plomo. Por ahora la energía de los protones es de 3.5 teraelectronvoltios (TeV), unas 3.740 veces su energía en reposo, mc2. Lo suficiente como para batir por un factor 7 el record anterior, del colisionador en Fermilab, también cerca de Ginebra, pero Geneva, Illinois.  La luminosidad de un colisionador (veces la sección eficaz del proceso de colisión) es la cadencia de las colisiones. El LHC  progresa rápidamente hacia su luminosidad de diseño, pero de momento funciona solo a la mitad de su energía máxima.
La máquina consta de dos anillos que guían y aceleran partículas en direcciones contrarias y las hacen colisionar en cuatro puntos, véase la Figura 1. Los protones le llegan al LHC parcialmente acelerados en una tortuosa serie de aceleradores  “antiguos”. En los puntos de colisión del LHC hay un par de experimentos pequeños (TOTEM y LHCf) y cuatro medianos: ATLAS (Foto 1), CMS, LHCb y ALICE. No caeré en el error, ya inevitable en el caso del LHC, de llamarlos “grandes”. En realidad estamos siempre proyectando otros mayores.

A la caza del Higgs
La mayoría de las partículas que existen son inestables y, a primera vista, inútiles. Para estudiarlas, primero hay que crearlas. Para ello es necesario producir colisiones de una energía (en el “centro de masa”) superior a la energía en reposo de la partícula en cuestión. A los “particuleros” nos resulta más fácil decir estas cosas, puesto que no distinguimos entre energía y masa. Por ejemplo, en la fórmula ­­
E = mc² / √(1 – v² / c²), ponemos la velocidad de la luz c=1, una simple elección de unidades. Si medimos tiempos en nanosegundos y distancias en unidades de “mi pié izquierdo”, c=1 puesto que dicho pié (de unos 30 cm) mide precisamente (por definición) lo que la luz en el vacío recorre en un nanosegundo. Por cierto, la consabida E = mc² es falsa. Es válida para un objeto en reposo, en cuyo caso es casi tautológica.

El LHC es, entre otras cosas, un MSV (Máquina de Sacudir el Vacío) ya que su principal objetivo es encontrar el bosón de Higgs o demostrar que no existe. En general, demostrar que algo no existe es imposible. Este caso es una excepción. Con un Higgs de masa superior a 1 TeV, el modelo estándar violaría la “unitariedad”: predeciría absurdamente procesos con probabilidad superior al 100%. El LHC alcanza para fabricar objetos de masa 1 TeV, y si no encuentra el ­Higgs, después de algunos años buscándolo, es que no existe. O tiene propiedades significativamente distintas a las previstas, en cuyo caso no es “el” Higgs.

El proceso más probable de producción del Higgs es el de la Figura 2. Curiosamente tendría lugar a través de un “triángulo virtual” de quarks “top”. La razón es que este quark es el más masivo y el Higgs se “acopla” a las partículas proporcionalmente a su masa: así es como el campo de Higgs en el vacío genera las masas.

El proceso de desintegración del Higgs que mejor permitiría medir sus propiedades –y saber si su identidad es la que le atribuimos– está también esbozado en la Figura 2. La razón es que electrones o sus “réplicas” inestables de mayor masa, los muones, son las partículas cuya energía y dirección pueden medirse con mayor precisión, permitiendo determinar bien el espín y “acoplamientos” del Higgs.

Colofón
Ha renacido como venganza póstuma la vieja idea de Einstein que él repudió al enterarse de que el universo no era estático: la “constante cosmológica (L)”, el único ente estático que puede ejercer una repulsión gravitacional. Einstein la introdujo para estabilizar el universo artificialmente contra la atracción gravitacional entre las galaxias, que lo colapsaría. El universo está en expansión acelerada.  Esto implica que L no es nula, como opinábamos hasta hace poco sin saber porqué. Todos los datos concuerdan con la posibilidad de que dicha L sea la responsable de la aceleración observada.

En terminología actual, L es la densidad de energía del vacío. Entendemos el modelo estándar lo suficiente como para estimar cuánto el campo de ­Higgs contribuye a la diferencia de potencial –o densidad de energía– entre el falso vacío inestable (la bola en lo alto del trasero de la botella) y el verdadero vacío (la bola abajo). La gravedad responde directamente a la densidad de energía (e impulso) y no, como las demás fuerzas, solo a diferencias de potencial. La contribución del campo de Higgs a la constante cosmológica debería ser del orden de la diferencia de potencial entre vacíos falso y verdadero. Pero el resultado de esta estimación es unos 54 (¡cincuenta y cuatro!) órdenes de magnitud superior a las observaciones cosmológicas. Tiene su mérito incurrir en tamaña contradicción.

Quizás comprendamos por qué las partículas tienen masa, pero no por qué tienen los valores de masa que tienen. Hemos visto otros defectos de nuestro entendimiento del vacío y de un campo que supuestamente lo permea. Queremos saber más, de ahí el encono en buscar el Higgs, o algo que se le parezca. O que no se le parezca.

El éxito del experimento de Michelson y Morley fue su fracaso. Asimismo, el máximo éxito del LHC consistiría en demostrar que no existe el Higgs. Esto nos situaría en una tesitura científica prerrevolucionaria, quizás análoga a la que tuvo lugar en el albor del siglo XX. Cedo al amable lector el reto de convencer a las autoridades competentes (con su siempre superior criterio) de que el mayor descubrimiento sería, en este caso, no encontrar lo que uno busca.

Apéndice: una labor global
En el CERN trabajan unos 2.300 empleados, 20 de ellos, físicos teóricos con contratos de tres o más años. Hay también unos 7.000 “usuarios”, estudiantes, científicos, ingenieros y técnicos de unos 70 países, muchos de ellos, como Suiza y España, multilingües. Un aguerrido lingüista podría detectar centenares de idiomas en las babélicas cafeterías del CERN, o dialectos de países –como Italia o Francia– en los que no son armas el idioma y la poesía. En total, en los experimentos del LHC, trabajan unos 330 españoles.

El presupuesto del CERN, pagado por los veintipocos países miembros proporcionalmente a su producto interno bruto (con un tope de 20% del presupuesto para Alemania), es de unos mil millones de francos suizos al año, a los que España contribuye aproximadamente  con un 7%. Esto significa que los españoles contribuimos cada uno a razón de un euro al año.

Es difícil sobrestimar el impacto de la investigación fundamental en la Economía, Tecnología o Medicina a plazo fijo, relacionado frecuentemente con las próximas elecciones. Me limitaré a dar el ejemplo consuetudinario de la flauta que sonó, aunque no por casualidad. El Hipertext Transfer Protocol (el misterioso “http” de las páginas web) fue inventado en el CERN por Tim Berners-Lee. Es la base de la explosión del uso de Internet. Berners-Lee, con el beneplácito inicialmente escéptico y la indispensable libertad académica que le otorgaban sus jefes, se propuso encontrar un lenguaje universal con el que grupos de físicos pudieran intercambiar datos, independientemente del tipo de ordenadores que empleasen.  Y dio en un clavo sin fronteras, como el propio CERN.

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