El bosón de Higgs

Los FÍSICOS LO LLAMAN la 'Partícula de Dios' porque es la pieza que les falta para comprender la estructura de la materia a nivel subatómico. Confían en encontrarlo cuando este año se ponga en marcha la máquina más poderosa jamás construida. Nos referimos al superacelerador LHC que funcionará desde las entrañas de Francia y Suiza.

Un pedazo de Dios

EN BUSCA DEL BOSON DE HIGGS

Después de una "dieta" subes a la báscula con la esperanza de que marque menos kilos que hace unos meses. Perder peso es el resultado de multiplicar la masa por la aceleración de la gravedad. ¿qué determina la masa? Puede parecer una pregunta bizantina, como aquella disensión medieval sobre cuál era el sexo de los ángeles, pero para los lisíeos teóricos esta cuestión se ha mantenido rondando su cerebro desde hace poco más de medio siglo. Por fín los hombres de ciencia creen estar cerca de una respuesta a la interrogante ¿existe una partícula, llamada 'bosón de Higgs (en honor del científico de la Universidad de Edimburgo. Peter Higgs, quien por primera vez sostuvo su existencia a comienzo de la década de los sesenta, en una teoría científica que fue recibida ton escepticismo), responsable del valor de la masa del universo. Desde hace varias décadas los científicos están tan decididos a cazarlo que han invertido miles de millones de dolares en construir un aparato para encontrarlo. Jamás se ha destinado tanto dinero para dar con una única partícula, aunque otorgándole su valor no se trata de cualquier partícula.

UN EJEMPLO ILUSTRATIVO

Imaginemos una piscina llena de agua, en ella podemos meter objetos que se mojarán al entrar. Siguiendo esta metáfora, el campo de Higgs sería la humedad de la piscina. Por lo tanto, "dar humedad a los objetos" de la piscina sería el equivalente a "dar masa a estas partículas" del campo. Si el agua de la piscina se calienta hasta los cien grados centígrados, se convertirá en vapor de agua y "dará menos humedad" a los objetos que el agua en su estado líquido. Del mismo modo, el campo de Higgs, a partir de los mil billones de grados centígrados varía su forma de "dar masa a las partículas".

EL SUEÑO DE HIGGS

Peter Higgs, premio europeo de la Física en 2004 y catedrático emérito de la Universidad de Edimburgo, un día de 1964, cuando tenía 35 años, volvió de una excursión por Cairngorms, región montañosa de las Highlands escocesas, con (o que el definió como su 'gran idea', pese a que ya rondaba por aquel entonces en otros cerebros privilegiados. En apenas dos cuartillas, Higgs definió lo que luego se conoció como 'el bosón de Higgs', una partícula subatómica que daba peso al resto de las partículas del universo, que nadie ha sido capaz de ver y que ya ha sido denominada, a pesar de su mentor -a quien no le gusta el nombre "porque puede molestar a algunas personas"-, como la 'Partícula de Dios'.

Hasta 2008, 'el bosón de Higgs' no ha sido observado de forma experimental, a pesar de los grandes esfuerzos de investigación en los experimentos de los aceleradores de partículas como el CERN o el Fermilab. La no observación de pruebas claras permite estimar un valor mínimo experimental de masa 114.4 GeV para el bosón de Higgs del modelo estándar, con un nivel de confianza del 95%.

Algunos indicios, relativamente consistentes, indican que esa partícula elemental, la más buscada por todos los físicos, habría sido detectada en experimentos realizados en el año 2000 en el colisionador de partículas del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) y que sólo en un par de años, para 2009, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ubicado a entre 50 y 100 metros bajo tierra entre Francia y Suiza, logrará demostrar su existencia práctica a partir de la colisión de protones.

SECRETO ATÓMICO

Desde hace muchos años se sabe que la materia está hecha de moléculas, y éstas a su vez de átomos, los cuales se organizan como una nube de electrones de unas cien millonésima de centímetro que rodea a un núcleo 100.000 veces aún más pequeño. El corazón central es un conglomerado de neutrones y protones cuya masa es miles de veces mayor que la de los electrones. Hasta este punto los físicos saben por qué el átomo es como es, pero no consiguen entender por qué las partículas elementales tienen las masas que tienen. Hav muchas v con enormes diferencias entre ellas; la más pesada, el quark top, es 350.000 veces más pesada que el electrón. Los físicos han desarrollado un modelo teórico que describe las partículas elementales y las interacciones entre ellas, pero exige que la masa de todas sea nula.

En 1964 él británico Peter Higgs propuso una elegante solución a esta discrepancia. Supuso que todo el universo está ocupado por un campo parecido al electromagnético. El concepto de campo", introducido por el físico inglés Michael Faraday en el siglo XIX, es uno de los más importantes de la física. En el espacio que nos rodea no sólo hav materia; si pudiéramos sacar de una sala hasta la última mota de polvo y la última molécula de aire, no podríamos decir que allí no queda nada. La prueba palpable es que, si lanzamos una pera, caerá al suelo; hay algo que la hace caer que llamamos 'gravedad'. Dicho de manera más correcta, hay un campo gravitacional cuya causa es el planeta que tenemos a nuestros pies. Pero no sólo eso. Si lanzamos en línea recta un electrón y analizamos su trayectoria, notaremos que algo modifica su camino. Ese algo' sólo influve en las partículas con carga eléctrica; las neutras ni se enteran. Es el campo electromagnético. Su origen es la suma del magnetismo terrestre, los efectos de las antenas, los televisores, el cableado de la casa y los electrodomésticos, entre muchas otras cosas más. En definitiva, una fuerza no es otra cosa que el efecto de un campo, y la materia cuenta con propiedades como la masa v la carga que la hacen sensible a los diferentes campos. La propuesta de Higgs fue revolucionaria: existe un campo que llena el espacio, y cuando las partículas interaccionan con él, adquieren masa.

Asi actúan las fuerzas
Hay cuatro tipos de fuerzas que hacen interaccionar a las partículas y cambian su identidad, su energía o su movimiento; otras veces provocan que una partícula aislada se desintegre de forma espontánea.

¿IDEA LOCA?

La hipótesis presentada por el científico Higgs en realidad se contradice con la intuición de que la masa es una propiedad intrínseca de la materia. Para entenderlo, se suele recurrir a un ejemplo: imagina que te encuentras en una fiesta v entra Claudia Schiffer; quienes están junto a la puerta se agrupan en torno a ella, a medida que se mueve por el salón los asistentes más cercanos se ven atraídos por la actriz, que se mueve con más dificultad que si estuviera sola, va que todos intentan acaparar su atención. Este efecto de acumulo es el mecanismo de Higgs.
Para el científico estadounidense así funciona la masa: qué determina la resistencia de un cuerpo a cambiar su estado de movimiento, la inercia. Su efecto lo notamos todos los días en la micro: cuando parte nos vamos hacia atrás, y si da un frenazo nos vemos lanzados con fuerza hacia adelante. Cuanta más masa tengamos, mayor será esa resistencia, y por eso la distancia de frenada de nuestro auto con el portamaletas lleno es más larga que si lo llevamos vacío. Como dice el teórico Brian Greene: "las fuerzas que todos ejercemos miles de veces al día para cambiar la velocidad de un objeto luchan contra la fricción del océano de Higgs".
La teoría dice que este peculiar campo llena el universo y aporta masa a todas las partículas que se mueven en él. Determinar si realmente existe nos lleva a otra analogía. Si queremos comunicarnos con un amigo podemos hacerlo de cuatro formas: personalmente, por celular, por correo electrónico o por carta. Para cada una de ellas hay un objeto que transporta la información: el aire, las microondas. el cable ADSL y el papel. Con las partículas subatómicas sucede algo parecido. Las relaciones que puede haber entre ellas las llamamos fuerzas. En la naturaleza hay cuatro: la gravedad, la electromagnética y dos fuerzas nucleares: una es la fuerte, que mantiene el núcleo unido, y otra la débil, responsable de la desintegración radiactiva beta.

UN PROBLEMA LLEVA A OTRO

En sí, cada una de esas formas de comunicación lleva asociada una partícula responsable de transportar la información. En el caso de la electromagnética, la partícula es el fotón; para la gravedad es el gravitón; y en la fuerza fuerte, el gluón -del inglés glue, pegamento-. La débil tiene tres partículas portadoras, los bosones W+. W- y T?. Así, en nuestra sala vacía, el campo gravitatorio hace que la pera y la Tierra intercambien gravitones como dos niños que se lanzan bolas de nieve. La fruta no nota el campo electromagnético porque sin carga neta es como si no tuviera la herramienta para recoger los fotones que le llegan.
Hasta hace poco los científicos se encontraban muy cerca de responder a la pregunta sobre cómo demostrar la existencia del campo de Higgs: encontrando su partícula portadora, el bosón de Higgs. Desde el CERN de Ginebra. Suiza, y el Fermilab de Chicago, Estados Unidos, los físicos de partículas llevan al menos dos décadas intentándolo ininterrumpidamente, sin resultados que comprueben la ansiada hipótesis. La búsqueda comenzó en los años ochenta, cuando se asentó el llamado modelo estándar de la física de partículas. Los teóricos habían conseguido poner orden en el complicado mundo subatómico que estaba surgiendo de los aceleradores de partículas. Se había superado la crisis de los sesenta, cuando estos inmensos instrumentos ponían en problemas a los investigadores al producir más y más partículas cada vez que eran encendidos. Pero en 1962 entró en juego el físico Murray Gell-Mann y anunció una forma de agruparlas que llamó 'el camino óctuple', en alusión a la filosofía budista. Su teoría predecía una nueva partícula, la W-, que fue descubierta al año siguiente. Dos años después Gell-Mann lanzó los quarks al ruedo de las partículas elementales. Los físicos ya eran capaces de responder a la pregunta planteada por los filósofos griegos hacía más de 2.000 años: ¿de qué está hecha la materia?

El marco teórico es el modelo estándar, que podemos resumir de la siguiente manera. Existen dos estirpes principales de partículas de materia, quarks y leptones. Hay quarks de seis sabores y se agrupan en tres familias de dos: up (arriba) y down (abajo); strange (extraño) y charm (encantado); bottom (valle) y top (cima). Los leptones también pueden ser de seis sabores: el electrón y su neutrino; el muón y el neutrino muónico, el tau y el neutrino tauónico. Los leptones se pueden encontrar solos en la naturaleza, mientras que los quarks siempre aparecen en parejas o en tríos, y se mantienen unidos mediante los gluones. Son los ladrillos con los que se construyen el resto de las partículas. Todos los leptones cargados conocidos tienen una sencilla unidad de carga eléctrica (que depende de si son partículas o antipartículas) y todos los neutrinos y antineutrinos tienen carga eléctrica cero. Los leptones cargados tienen dos estados espín posibles, mientras una sola helicidad es observada por los neutrinos (todos los neutrinos son zurdos y todos los antineutrinos son diestros).

CUESTIÓN DE FUERZA

Una vez determinadas las partículas, queda entender qué son las fuerzas. A finales de los años setenta, Glashow, Salam y Weinberg tuvieron en sus manos el sueño de los físicos teóricos: reunir bajo una única descripción matemática las cuatro fuerzas que imperan en la naturaleza. El primer y esperanzador paso de los tres científicos fue encontrar una forma de describir bajo una misma formulación la fuerza electromagnética y la débil. Entre sus predicciones se encontraban los transmisores de la fuerza débil, los bosones W+, W- y Z°. Pero si estas partículas existían debían tener unas masas muy elevadas, y eso colocaba en un punto peligroso al modelo estándar. Nadie podía explicar por qué el fotón carecía de una masa y los nuevos bosones eran extremadamente pesados. Para resolverlo, los cientificos tuvieron que remitirse al campo de
Higgs.

El reto de la década de los ochenta fue encontrar el quark más pesado, el top, y demostrar que los bosones W+, W- y Z° existían. Las máquinas para detectarlos debían producir bastante energía, que dependía de cuánto fuera su masa. A finales de los setenta las mejores estimaciones teóricas apuntaban a cientos de veces la masa del protón. Una valoración no muy exacta, pero suficiente para que la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN por sus siglas en francés) decidiera gastar 100 millones de dólares en encontrarlo. Eran momentos de euforia: parecía que el Santo Cirial de la física estaba al alcance de la mano, una teoría final que gobernaría las fiíerzas y las partículas del Universo. Desde los años cuarenta muchos lo habían intentado con ahínco, hasta Einstein. pero nadie se había acercado a conseguirlo. En enero de 1983 el italiano Cario Rubbia. responsable de la búsqueda, anunciaba haber encontrado los dos W.

SIN RASTRO

En los últimos años, lauto en Chicago como en Ginebra se han realizado experimentos para poder atisbar algún trazo de su existencia. Los físicos saben que es difícil porque la energía necesaria para verlo está por encima de sus posibilidades. Se han dedicado a hacer chocar parricidas en los aceleradores para ver si en uno de los impactos podían detectarlo, pero para encontrar a la madre de todas las masas hace falta una máquina más grande. A finales de los años ochenta, los físicos estadounidenses diseñaron el SSC, el supercolisionador que se deseaba construir en suelo estadounidense, en Texas, pero cuando en 1987 los científicos dijeron al Congreso de esa nación que para construir el artefacto se necesitarían al menos unos 4.400 millones de dólares, el gobierno aceptó bajo protesta. Sin embargo, cuando en 1992 el monto requerido había ascendido a 12.000 millones -una suma equiparable con la empleada en la Estación Espacial Internacional-, los congresistas ya no podían sufragar ambos proyectos y el SSC fue cancelado.
Mientras tanto, en Europa el CERN decidió desmantelar su acelerador, el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP por sus siglas en inglés), y construir otro capaz de alcanzar una energía suficiente para detectar el bosón de Higgs. Así se gestó el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés). Después de diversos retrasos y de invertir la suma de 10.000 millones de dólares, el artefacto estará listo para buscar su objetivo.

LA MÁQUINA DE LA VERDAD.

Mediante el uso del colisionador de hadrones (LCH) del CERN -su construcción en la imagen de la derecha-, los científicos buscarán el bosón de Higgs, partícula teórica que explicaría el origen de la masa y que de ser observada podría unificar en una sola teoría las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza. Se le ha bautizado como ' la partícula de Dios' porque se cree que existe pero nadie la ha visto.

¿Y SI N0 EXISTIERA?

También los físicos se han hecho esta pregunta, aunque confían en que las inversiones multimillonarias para construir los aceleradores de partículas en las entrañas de Francia y Suiza tendrán éxito. "El campo de Higgs, el modelo estándar v nuestra imagen de cómo Dios hizo el universo depende de encontrar el bosón de Higgs", comentó hace más de una década León Lederman. Las dos pasiones de los físicos están enfrentadas. Dar con él implicaría que han hecho un buen trabajo y que sus ideas sobre la materia son correctas: sería la demostración del poder de la teoría, del pensamiento puro, para entender el mundo. No encontrarlo significaría que han pasado algo por alto, que sus ideas iban bien, pero se equivocaron, que hay nuevos misterios que desentrañar. Y para un científico los buenos misterios son la salsa de su vida.
La confianza de los científicos se ha visto alentada varias veces. Experimentos realizados en el año 2000 en el colisionador de partículas del CERN parecieron mostrar indicios de la presencia de la anhelada partícula. En la actualidad las mayores esperanzas descansan en el LHC. cuya construcción se lleva a cabo entre 50 y 100 metros bajo tierra, en el subsuelo que comprende territorios de Francia y Suiza. Estará terminado en 2009 y se confia en que su capacidad logre demostrar la existencia del bosón de Higgs a partir de la colisión de protones.
En la construcción de ese 'gran anillo' se han empleado unas 100.000 toneladas de material (diez veces lo que pesa la Torre Eiff'el, con sus restaurantes, tiendas y museos incluidos) y ha requerido más de dos años de intenso trabajo. Si los plazos se cumplen, a final del próximo año circularán dos haces de protones (de diámetro inferior al grosor de un pelo) a velocidad cercana a la luz y a una temperatura de 271 °C, muy cerca del cero absoluto (la temperatura teórica más baja posible), y el mayor centro de investigación nuclear del mundo podrá resolver, entre cientos de experimentos, el mayor desafio de la física cuántica: que la Partícula de Dios existe.

Seis meses después aparecía el Z. Sólo faltaba el quark top, que apareció en 1995 gracias al otro gran acelerador, el Tevatron del Fermilab, en Chicago, Estados Unidos. El modelo estándar casi estaba completo, sólo faltaba el bosón de Higgs (linda la física a todo esto).