La Masa y la Energía ¿Qué son en realidad?

  ¿Será el Universo como creemos que es?

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 materia?

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 un atributo 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 “re-normalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben encontrar la respuesta al problema planteado.

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 intrínseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrínseca 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 (espín de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espín cero.  El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs da 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 Enrico Fermi 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.

                Fabiola Gianotti, portavoz del experimento ATLAS, ofrece algunos avances:

“En nuestros datos observamos claros signos de una nueva partícula compatible con la teoría de Higgs, con un nivel aproximado de 5 sigma [99,977% de eficiencia], en la región de masa alrededor de los 126 GeV. El increíble rendimiento del LHC y el ATLAS y los enormes esfuerzos de mucha gente nos han traído a este excitante punto, pero hace falta un poco más de tiempo para preparar estos resultados cara a su publicación.”

“El Modelo Estándar es la teoría que engloba prácticamente todo lo que hoy sabemos sobre física de partículas. Basándose en las reglas de la mecánica cuántica (en la teoría cuántica de campos para ser precisos) describe con una exactitud asombrosa las interacciones entre partículas subatómicas. Entre estas interacciones encontramos: el electromagnetismo, que como su nombre indica describe el campo eléctrico y el campo magnético (que en realidad es como un todo). También describe la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos los protones y neutrones dentro del núcleo atómico y los quarks unidos entre sí. Finalmente también describe la interacción nuclear débil, responsable de las desintegraciones radiactivas y componente fundamental para que el Sol nos aporte calor y luz.

Uno también se puede preguntar qué pasa con la gravedad.”

 

El Modelo Estándar describe las partículas de todo cuanto nos rodea, incluso de nosotros mismos. Toda la materia que podemos observar, sin embargo, no parece significar más que el 4% del total. Higgs podría ser el puente para comprender el 96% del universo que permanece oculto.

El 4 de julio de 2012 se anunció el descubrimiento de un nuevo bosón. Punto. En diciembre de 2012 se empezó a hablar de “un” Higgs (en lugar de “el” Higgs), pero oficialmente seguía siendo un nuevo bosón. ¿Importa el nombre? El Premio Nobel de Física para el bosón de Higgs sólo fue concedido cuando el CERN afirmó con claridad y rotundidad que se había descubierto “el” Higgs, y, si el CERN era conservador, la Academia Sueca lo era aún más. Sin embargo, el rumor apuntaba a que quizás bastaría con que el CERN dijera que se había descubierto “un” Higgs.

¿Por qué, a pesar de todas las noticias que surgieron desde el CERN, creo que no ha llegado el momento de celebrarlo? ¿Es acaso el Higgs lo encontrado?

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? 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 cae 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 electro-débil 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 electro-débil 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.

Para cada suceso, la línea del haz es el eje común de los cilindros de malla de alambre ECAL y HCAL. ¿Cuál es el mejor candidato W? el mejor candidato Z? En cada evento, ¿Dónde ocurrió la colisión y el decaimiento de las partículas producidas? Lo cierto es que, en LHC se hacen toda clase de pruebas para saber del mundo de las partículas, de dónde vienen y hacia dónde se dirigen y, el Bosón de Higgs, es una asignatura pendiente a pesar de las noticias y de los premios.

De todas las maneras, es tanta la ignorancia que tenemos sobre el origen de la masa que, nos agarramos a un clavo ardiendo el que se ahoga, en este caso, a la partícula de Higgs que viene a ser una de las soluciones que le faltaba al Modelo Estándar para que todo encaje con la teoría.

¡Ya veremos en que termina todo esto! Dijeron que descubrieron el famoso Bosón pero… Y, aunque el que suena siempre es Higgs, lo cierto es que los autores de la teoría del “Bosón de Higgs”, son tres a los que se ha concedido, junto al CERN, el Premio Principe de Asturias. Peter Ware Higgs —el primero en predecir la existencia del bosón— junto a los físicos François Englert, y el belga Robert Brout—fallecido en el año 2011— y que no pudo disfrutar del Nóbel.

Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, introdujo la idea en la física de partículas.  La utilizaron los teóricos Steven Weinberg y V. 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 (arriba)se apoyaron en los trabajos previos de Sheldon Glasgow, quien tras los pasos de Julian Schwinger, sabía sólo que había una teoría electro-débil 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?

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 todo, 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 teníamos la menor prueba experimental que ahora parece que va asomando la cabeza en el LHC.

Esperemos que la partícula encontrada, el bosón hallado, sea en realidad el Higgs dador de masa a las demás partículas pero… ¡Cabe la posibilidad de que sólo sea el hermano menor! de la familia. 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, tal como lo plantearon los del CERN,  se puede llegar a la conclusión de que, el campo de Higgs, el Modelo Estándar y nuestra idea de cómo se hizo el Universo dependía de que se encontrara el Bosón de Higgs.  Y entonces, por fin, el mayor Acelerador del mundo, el LHC, nos dijo que el Bosón había sido encontrado y las pruebas tenían una fiabilidad enorme.

¡La confianza en nosotros mismos no tiene límites! Pero el camino no ha sido recorrido por completo y quedan algunos tramos que tendremos que andar para poder, al fin, dar una explicación más completa, menos oscura y neblinosa que lo que hasta el momento tenemos, toda vez que, del Bosón de Higgs y de su presencia veraz, dependen algunos detalles de cierta importancia para que sean confirmados nuestros conceptos de lo que es la masa y, de paso, la materia.

¿Pasará igual con las cuerdas? Claro que, para verificar esta teoría se necesitaría una energía de 10¹⁹ GeV, y, esa energía no la tendríamos ni uniendo todos los esfuerzos de los gobiernos de nuestro mundo. Es una energía que estaba presente en la “creación”, y, quizás, en los agujeros negros.

emilio silvera

Agradecido le quedo a León Lederman que con sus ideas ha nutrido el presente trabajo.