viernes, 2 de septiembre de 2016

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¿Qué es el bosón de Higgs?, por Mª Jesús Jiménez Varo

¿Qué es el bosón de Higgs? Me alegro de que te hagas esa pregunta….
Para darle respuesta, primero debemos introducir una serie de conceptos….
El primero de ellos es el de CAMPO, entendido como la región del espacio en la que se manifiesta de forma unívoca, para cada instante de tiempo y para cada punto, una magnitud física (por ejemplo, el campo de presiones que se representa en los mapas meteorológicos mediante líneas que unen puntos de igual presión o isobaras y que van cambiando con el tiempo). Luego la idea de campo se puede concebir como “algo” que se extiende o permea el espacio.
Todo campo es creado por una unidad activa de campo. En el campo gravitatorio, las unidades activas son las masas de los cuerpos, y en el electromagnético, son las cargas eléctricas. Existen dos campos fundamentales más en la Naturaleza, el nuclear fuerte relacionado con los quarks y la estabilidad de los núcleos de los átomos y el nuclear débil que afecta a los quarks y a los leptones y que explica la desintegración beta menos.
Pero en Física no se suele hablar en términos de campos, sino de las acciones que producen esos campos, lo que se denominan interacciones. Por ejemplo, la interacción Tierra-Luna se debe al efecto del campo gravitatorio que la primera induce sobre la segunda y que da lugar a que la Luna gire alrededor de la primera o a las mareas. Como se puede deducir, necesitamos dos o más unidades activas de campo para que exista una interacción, pero solo una para que se cree un campo. Además, cada interacción se describe a partir de unas partículas denominadas bosones: el fotón en la interacción electromagnética; el gravitón en la gravitatoria; los gluones en la nuclear fuerte y W+, W- y Z0 en la nuclear débil. Más adelante volveremos a este punto.
El segundo concepto que hay que saber es el de MATERIA, entendida como todo aquello que tiene masa y ocupa un volumen. Demócrito de Abdera, discípulo de Leucipo, ya decía que “sólo existen los átomos y el vacío, y todo lo demás es opinión” hace 2400 años. Para él, la materia estaba formada por partículas indivisibles, de diferentes tipos y por tanto con propiedades distintas, denominadas átomos. Hoy sabemos que si bien la materia está formada por átomos, estos NO son indivisibles, sino que están formados por electrones, protones y neutrones; y que estos últimos, a su vez, por otras subpartículas denominadas quarks…. Y que aún hay más partículas….
Así, estamos rodeados de materia y de campos. Si te preguntaran qué es el vacío, ¿qué dirías?, ¿cómo lo harías? Lo más seguro es que dijeras que con una “buena” bomba de vacío, podrías sacar “todo” lo que hubiera en un recipiente…. ¿Seguro? Podrías quitar de ahí toda la materia que hubiese, pero ¿eso sería el vacío? Pues no. Ahí seguiría habiendo no solo campo gravitatorio, sino campo electromagnético: allí habría radiación. En la Naturaleza, es simplemente imposible en principio eliminar todo lo que hay en un recinto. Técnicamente, se define el vacío como el estado fundamental, de mínima energía, de los campos cuánticos (que son cuatro). El vacío es drásticamente diferente de la nada; quedan en él las fluctuaciones de todos los campos cuánticos responsables de las interacciones electromagnéticas, nucleares débiles y fuertes, fluctuaciones que son irreductibles y que no pueden eliminarse.
Una vez comprendidos estos conceptos, y sabiendo que en Física se intenta buscar la simplicidad, se hicieron notables esfuerzos por unificar estas cuatro interacciones fundamentales en una sola y en organizar el amplio conjunto de partículas detectadas (y las que aún quedaban, a la espera de un mayor desarrollo tecnológico) en los años 60.
Surge así el modelo estándar de partículas elementales (1974), actualmente aceptado por su notable confirmación experimental y su larga serie de predicciones verificadas, para explicar el Universo. En él se detallan las cuatro interacciones fundamentales (con sus correspondientes teorías, experimentalmente avaladas) y se clasifican a las partículas según dos tipos de comportamientos colectivos de ellas, los fermiones y los bosones.
Los fermiones se conocen como partículas de materia (a partir de ellas se forma la materia “que vemos”, y que sólo es un 4% de la total del Universo, - el resto es materia y energía oscuras - sobre todo a partir de la primera generación) y se agrupan en tres familias de dos leptones (uno de ellos es el electrón) cada una y otras tres familias de dos quarks cada una, dando lugar a tres generaciones formadas por una familia de cada grupo anterior.
Los bosones, como mencionamos antes, son quienes en última instancia describen las interacciones que existen realmente en la Naturaleza. Son ellos quienes ligan a los quarks para formar protones y neutrones, para que estos a su vez formen núcleos, y estos junto con electrones formen átomos. Por eso a los bosones se les llama partículas de fuerza o mediadoras. Cada campo cuántico lleva asociado uno o más bosones, que son los responsables de que existan las interacciones. De ellos, todos son de masa nula salvo los portadores de la interacción nuclear débil.
La existencia de estas partículas, fermiones y bosones, así como de sus características de masa, carga, espín, vida media, etc., eran soluciones de los desarrollos matemáticos en los que se basaban las teorías que explicaban las cuatro diferentes interacciones. Pero a comienzo de los 60, cuando todo parecía encajar (teoría y experiencia) y se habían descubierto la práctica totalidad de partículas, había una ruptura de la simetría, algo que no concordaba: los bosones debían tener masa cero, y no todos lo cumplían. W+, W- y Z0, los bosones de intercambio de la interacción nuclear débil, tenían masa, y elevada.
Para solventar este problema (matemático), un grupo de físicos, entre los que destacan Brout, Englert y Higgs (que dan nombre al mecanismo BEH), propusieron o introdujeron “a mano” en el modelo estándar la existencia de un quinto campo escalar no nulo que permea todo el espacio que ingenuamente antes llamaríamos vacío, denominado campo de Higgs. Este campo interaccionaría con el resto de campos siguiendo una cierta estructura, y permitiría que los bosones portadores (en principio, partículas sin masa) se comportaran de manera efectiva como partículas de masa no nula, que sería proporcional a la interacción entre cada partícula y el nuevo campo (medida por una constante de acoplo). Así, el mecanismo BEH explica que las partículas tengan masa –por su fricción con el campo de Higgs-, pero no explica por qué cada partícula tiene la masa que tiene, si bien puede deducirse matemáticamente su constante de acoplo.
Por otro lado, como el campo de Higgs es un campo cuántico, tiene una partícula asociada: el bosón de Higgs. Si la suposición de la existencia del campo de Higgs era cierta (y con ella la procedencia de la masa de las partículas y el modelo estándar), había que confirmar la existencia del bosón de Higgs.
Para detectar el bosón de Higgs, de 125 GeV/c2 de masa y 10-22 s de vida, se debía concentrar en un espacio menor de 10-18 m la energía suficiente (135 veces la masa del protón) para producir en el campo de Higgs una excitación de intensidad mínima que diera lugar al esquivo bosón; y por otro lado, analizar los restos de su desintegración y diferenciarlos de las demás partículas formadas, comprobando que efectivamente allí hubo un bosón de Higgs.
Este fue el objetivo de construir el LHC (Large Hadron Collider) del CERN, el colisionador de partículas de 27 km de perímetro sito en Ginebra (1994-2009) y que puede alcanzar energías del orden de 14 TeV. En él, en 2011, se hicieron chocar unos 2800 haces o paquetes de protones (1011 o 100.000.000.000), de 1 mm2 de sección y 10 cm de longitud, viajando a velocidades ligeramente inferiores a la de la luz en el vacío (~300.000 km/s), cada paquete separado del siguiente por 75 ns (nanosegundos, 10-9 s o 0,000000075 s). Solo una pequeña fracción de protones llegaría a chocar con otro protón del haz opuesto (unos 10, por cada paquete, y unos 200 millones por segundo). Posteriormente, los detectores ATLAS y CMS situados en los puntos de choque, recogieron las trayectorias de las partículas detectadas y se registraron los datos, lo que inició la etapa de análisis. Y se observó un número suficiente de sucesos independientes de producción de un bosón de Higgs, lo que el 4 de Julio de 2012 se anunció en el CERN: se había dado con él.
Ya sabes lo que es el bosón de Higgs, ¿pero crees que aquí acaba todo? … ¡Pues no!
Hasta el momento la partícula descubierta parece compatible con las predicciones del modelo estándar, pero todavía es pronto para descartar otras teorías como la supersimetría, que predice la existencia no de uno sino de varios bosones de Higgs. A partir de 2015, cuando el LHC se vuelva a poner en marcha alcanzando su máxima energía, los científicos tendrán a su disposición una gran cantidad de datos para seguir avanzando en el conocimiento.

1 comentarios perrunos:

Jose Alfonso Rueda dijo...

¡Uff, qué tema más complicado sobre el que escribir para tratar de dar una definición sencilla e inteligible! Es por eso por lo que me ha parecido un excelente artículo de divulgación, porque consigue llegar a una explicación de qué es el bosón de Higgs de forma pautada, comenzando por conceptos más básicos, enlazándolos con otros cada vez más complejos, hasta llegar a una respuesta de la pregunta que da título a la entrada accesible a cualquiera con una pequeña cultura científica.