La "partícula de Dios" al descubierto

1:3 Y dijo Dios: Sea la luz; y fue la luz.
Génesis

Túnel del acelerador del CERN
El martes 13/12/2011 científicos del CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear) anunciaron que, con una probabilidad del 99%, habían descubierto la partícula de Higgs, que viene a ser la pieza que faltaba en el rompecabezas del modelo de partículas  de la Física atómica: es la partícula más buscada de la historia, y en su búsqueda se han utilizado ingentes recursos económicos y humanos. Incluso en ciertos artículos y libros de divulgación se la ha denominado la "partícula de Dios". ¿Pero por qué es tan importante? Intentaremos explicarlo para el público no especializado; para ello tendremos que hacer una excursión por el campo... de la Física de partículas.

Materia y Energía
El Universo se compone en última instancia de materia y de energía, y además una se puede convertir en la otra, hecho que expresa elegantemente la más famosa ecuación de Einstein, E = mc² . Durante el siglo XX los modelos físicos y los experimentos, complementándose entre sí, fueron revelando la estructura de la materia a muy pequeña escala, buscando sus elementos constituyentes primordiales: las partículas fundamentales; así, pasamos del átomo al núcleo del átomo, del núcleo a las partículas nucleares, las cuales mediante aceleradores de partículas se "rompieron" (más técnicamente diremos que se desintegraron) en otras partículas... 

A mediados del siglo XX este proceso de romper las partículas sub-atómicas con aceleradores cada vez más potentes llevó durante un tiempo a un cierto caos, pues parecía que el descubrimiento de nuevas partículas no tenía ningún final, y cada vez teníamos más preguntas sin respuesta. Las leyes físicas conocidas no bastaban para explicar las observaciones, y los físicos tuvieron que idear nuevas propiedades y leyes: conservación del número bariónico, de número leptónico y muónico, de la "extrañeza" (sí, es correcto, inventaron una propiedad llamada extrañeza), etc. De todas estas novedades se consiguió definir un esquema de clasificación de las partículas y de sus interacciones que se ha denominado el modelo estándar,  que veremos dentro de un momento. Antes, necesitamos ver el concepto de campo cuántico.

Campos de fuerzas cuánticos y partículas fundamentales
Campo de fuerzas entre dos  cargas
En Física un campo  representa una magnitud física (una temperatura, una velocidad, etc.) distribuida en el espacio y en el tiempo. Por ejemplo la distribución de velocidades en un fluido en movimiento circulando por una tubería se describe como un campo de velocidades: a cada punto del fluido se le asigna un vector velocidad en ese punto, indicando su dirección y magnitud en cada instante; el conjunto de tales vectores en el espacio es un campo. En el caso de campos de fuerzas, en cada punto del espacio tendremos un vector que nos informa de la fuerza (en dirección y magnitud). De esta forma se describe por ejemplo el campo electromagnético (con las ecuaciones de Maxwell): dada una carga eléctrica situada en un punto del  campo, la magnitud de ese campo nos permite calcular la fuerza eléctrica que ejercerá sobre la carga. Este concepto de campo estaba bien establecido en la Física del siglo XIX. 

Los campos clásicos son continuos: las magnitudes pueden tomar cualquier valor numérico compatible con las leyes del campo. Así, en el campo eléctrico clásico, podemos considerar valores de fuerzas entre cero y infinito, sin restricciones. A principios del siglo XX se inicia la revolución cuántica: la teoría cuántica establece que las magnitudes físicas están "discretizadas", en el sentido de que sólo pueden tomar valores no continuos. Un ejemplo sencillo de esta cuantización es la de la carga eléctrica: siendo la carga del electrón e la carga fundamental, se sigue que cualquier carga macroscópica  Q deberá ser una acumulación de un número entero de cargas elementales e, y su valor total será un múltiplo entero de esa carga fundamental: Q = n·e . Por tanto no todos los valores numéricos de Q serán factibles. 

Esta cuantización afecta al concepto de campo de forma profunda; una consecuencia de ello es que a cada campo físico se le puede hacer corresponder una partícula específica para ese campo. Por ejemplo, en el campo electromagnético tal partícula es el fotón. Intuitivamente esto puede verse haciendo el siguiente experimento mental: si tenemos un foco de luz (que es un tipo de campo electromagnético) que incide sobre una pantalla, de forma que vamos disminuyendo paulatinamente su intensidad, la teoría clásica permite que esa aproximación al valor cero sea tan lenta como queramos, pero la teoría cuántica predice que llegaremos a un punto en el cual sólo se emitirán fotones separados entre sí por ciertos intervalos de tiempo, de forma que veremos en la pantalla los destellos conforme van llegando, y a partir de ahí disminuir la intensidad del foco es simplemente ampliar el tiempo de llegada de cada fotón. Tenemos pues que los campos cuánticos tienen partículas asociadas, que se corresponden con sus magnitudes fundamentales.

El Modelo Estándar
Electrones intercambiando un fotón
Veamos: por un lado tenemos las partículas que componen la materia, electrones, protones, etc., y por otro las partículas asociadas a los campos cuánticos. Estas últimas se conocen con el nombre de partículas portadoras de fuerzas, o mediadoras de fuerzas o de intercambio, debido a que son los agentes que permiten, a nivel cuántico (es decir, a niveles extremadamente minúsculos como los que se encuentran en los niveles atómicos), que las partículas que componen la materia interaccionen con los campos. Así, cuando una partícula cargada interacciona con un campo electromagnético, según el modelo estándar lo que realmente hace es emitir y absorber fotones del campo, como muestra el diagrama de Feynmann de la figura. Podemos imaginarlo como cuando dos jugadores de básquet se pasan la pelota: hay unas fuerzas ahí en acción (la de lanzar y la de recoger) y la pelota actúa como "partícula" de intercambio de fuerzas.


El modelo estándar ha clasificado en familias las diferentes partículas de materia y mediadoras, y ha estudiado sus interacciones y transformaciones.  en particular, las partículas de materia se denominan fermiones y las de intercambio bosones. Recordemos que materia y energía, en último término, son intercambiables, de modo que es posible generar partículas mediadoras a partir de partículas de materia, y viceversa. Como ejemplo, tenemos la desintegración espontánea de un pión  π en un muón  µ y posteriormente en un electrón e:

 π =>  µ => e

 El electrón és una partícula constituyente de la materia (un fermión) mientras que el pión és una partícula de intercambio (un bosón) asociada al campo cuántico de las fuerzas nucleares que estabilizan al núcleo atómico y evitan que se rompa debido a la repulsión mutua de sus protones; fué predicho en 1935 por el físico japonés Yukawa y confirmada su existencia en 1947. Estas transformaciones son las que se estudian en los aceleradores de partículas.

El modelo también establece una clasificación de las fuerzas de interacción de la naturaleza: gravitatoria, electromagnética, nuclear débil y nuclear fuerte.

Este modelo de partículas de materia y de fuerzas ha tenido un éxito casi total en la explicación de la constitución de todo los que nos rodea; pero queda una laguna importante por llenar, y aquí es donde entra la teoría de Higgs.

Campo y partícula de Higgs
Un hecho que intrigó desde el primer momento a los investigadores es: ¿porqué hay bosones sin masa (el fotón) y bosones masivos mucho más pesados que las partículas de materia? Por ejemplo, el pión es el bosón más ligero de todos, y tiene 273 veces la masa del electrón. Otros bosones relacionados con el campo nuclear, como los bosones W, tienen masas superiores al átomo de hierro. ¿Porqué son tan masivas estas partículas portadoras de fuerzas?

El físico escocés Higgs propuso una explicación elegante: quizá la masa, como magnitud física, también tiene su campo cuántico asociado, de forma que la masa de las partículas realmente se forma por la interacción de dichas partículas con el campo de Higgs. Es lo mismo que expusimos en el ejemplo de la carga interaccionando con un campo electromagnético, con el cual intercambia fotones: ahora la carga sería un bosón, el campo sería el campo de Higgs y el fotón, la partícula de Higgs, que será también un bosón, por ser de intercambio. De este modo, el fotón no interacciona con el campo de Higgs y por tanto no tiene masa, mientras que los otros bosones sí lo hacen.

Decir de pasada, sin entrar en detalles técnicos, que aquí también participa el muy interesante concepto de simetría; de hecho en el marco teórico las clasificaciones de partículas usan la teoría matemática de grupos de simetría. Alguna cosa he escrito anteriormente en este blog sobre la simetría en Física, y remito al lector interesado en los detalles al artículo La simetría en Matemáticas y Física. Consideraciones de este tipo permiten predecir la masa esperada de la partícula de Higgs, así como otras propiedades. También explican porque el fotón no interacciona con el campo de Higgs mientras que los otros bosones sí lo hacen.

Si se descubre el Higgs, como le llaman los físicos, toda la teoría encajará, no quedaran piezas sueltas (bien, algún detalle sí, pero sólo detalles) y el modelo estándar quedará totalmente establecido. Por el contrario si no se encuentra tal partícula, será señal de que algo falla en toda la teoría, y habrá que revisar todo lo realizado en los últimos cincuenta años.

Consideraciones y conclusiones
No debemos confundir el Higgs con el gravitón, partícula no descubierta que se supone sería el cuanto de intercambio del campo gravitatorio. El campo de Higgs  explica la masa de las partículas, mientras que el campo gravitatorio explica las fuerzas gravitatorias entre objetos con masa.

“El modelo estándar y nuestra imagen de cómo Dios hizo el universo depende de encontrar el bosón de Higgs”, comentó el premio Nobel Leon Lederman. De esta afirmación surgió el sobrenombre de "partícula de Dios". También he leído algunas opiniones al respecto afirmando que este nuevo descubrimiento vuelve a demostrar que no necesitamos la existencia de Dios para explicar el Universo, pues el modelo estándar completo ya lo hace. En mi opinión un mayor conocimiento del funcionamiento del Universo ni afirma ni niega nada sobre un creador.

El campo de Higgs tiene también relación directa con la teoría de la creación del Universo, el "big-bang"; se cree que en los primeros instantes había algo así como un 1% más de materia que de antimateria, lo que permitió que en  a posterior evolución del Universo la materia predominara sobre la antimateria. Podemos estar agradecidos por ello, ya que materia y antimateria se aniquilan mutuamente en una explosión de energía: si quedaran restos de antimateria serían tan peligrosos como bombas atómicas ambulantes. La explicación de ese 1% de desequilibrio depende de la existencia del campo de Higgs.

Comentarios

  1. Un gran artículo sobre un tema tan polémico como lo es el boson de Higgs.

    El concepto de campo es sumamente bello y he indaga lo más profundo de la física que agradable modo de exponerlo tienes :) si le haces justicia , uno de mis maestros de física hace ya unas semanas comentaba que era algo en lo que toda la física está sustentada y a su vez algo para lo que no hay una definición satisfactoria.

    Que emocionante es leer sobre está mítica partícula. no lo entiendo del todo y me intriga como es tan elusivo, pero igual aquí si aplica elegante=verdadero :) habrá que ver que dice el CERN, a mi lo que me maravilla es como se pueden hacer predicciones sin resultados experimentales el puro triunfo del pensamiento un curioso modo de ver hasta donde puede llegar la mente.

    Felicidades gran artículo como siempre

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  2. Estuve tentado de explicar con más detalle el razonamiento que lleva a la predicción del campo de Higgs, pero finalmente no lo hice para dejar el post con una extensión razonable, de hecho daría para otro artículo. El hecho de que sea tan difícil de encontrar es doble: es una partícula muy masiva (implica la necesidad de emplear enormes energías en las colisiones) y además no deja un rastro visible en los detectores, de forma que hay que deducir su existencia de forma indirecta y utilizando probabilidades; esto último està bien explicado en el blog de la Mula Francis: http://francisthemulenews.wordpress.com/2011/12/18/la-loteria-de-navidad-el-boson-de-higgs-y-los-neutrinos-superluminicos/
    Saludos.

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