Bosó Higgs, ets aquí?

2008/04/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Dir que en aquest moment detectarem el bosó Higgs és predir el futur i això és perillós. Ningú sap el que donarà la física en el futur. Ni la física ni qualsevol altre àmbit humà. Per a molts físics, el cas del bosó Higgs és una predicció a curt termini; sembla que fer prediccions a curt termini no és tan difícil com fer-ho a llarg termini. No obstant això, és difícil.

Però el bosó Higgs va de la paraula a la boca entre els físics. L'accelerador LHC generarà (o podrà generar) l'energia necessària per a detectar el bosó, la qual cosa suposa una gran esperança. Es preveu que aparegui el bosó Higgs i l'origen de la massa quedi explicat.

Model estàndard

La qüestió és per què els físics creuen que existeix el bosó Higgs si mai l'han vist. És cert que mai ho han vist, però també és cert que no han de veure a una partícula per a adonar-se de la seva existència. És com el vent: el vent no es veu, però quan veiem les branques dels arbres en moviment sabem que hi ha vent. I les seves característiques (velocitat, direcció, etc.) es poden mesurar.

En el cas del bosó Higgs no hi ha res tan simple com les branques dels arbres. És una partícula anunciada per un error d'una gran teoria. Aquesta gran teoria és un model estàndard que ordena la física de les partícules. És similar a la taula periòdica d'elements de química, però és la de partícules subatòmiques. Ordena les partícules en tres famílies, dotant-les de sentit físic.

No és una teoria perfecta, ja que només abasta tres de les quatre forces fonamentals que existeixen en l'univers: el model explica la força electromagnètica, nuclear violenta i nuclear feble, però la força de la gravetat no entra en aquesta teoria. No obstant això, el model estàndard és una teoria molt bona des del punt de vista de la física de partícules petites. A més de presentar partícules existents, permet predir les interaccions entre partícules. Concretament, es dissenyen els resultats dels experiments que es realitzen en els acceleradors sobre la base del model estàndard.

No obstant això, el model estàndard té un gran problema: no prediu la massa de partícules. I els físics saben que moltes partícules tenen massa, clar. Els electrons, els protons i els neutrons, per exemple, tenen massa; tots els quark també ho tenen, ja que formen protons i neutrons. Molts altres no, com el fotó. No obstant això, segons el model estàndard clàssic, totes les partícules són lliures de massa i es desplacen a la velocitat de la llum.

Teoria d'Higgs

Sense poder explicar la massa, els físics en situació crítica XX. A mitjan segle XX. La teoria era molt bona per a comprendre les partícules oposades, però no explicava la massa de les partícules. Era imprescindible tenir en compte aquest error i esmenar-lo.

Però com? Els físics van desenvolupar noves teories per a solucionar el model. Cap a 1964 una d'aquestes teories es va imposar enfront d'unes altres: La teoria d'Higgs. Ho recordem amb el nom de l'escocès Peter Higgs, però cal destacar que molta gent va participar en el desenvolupament de la teoria, és a dir, no va ser una casualitat. Tres grups van treballar la mateixa idea en les seves respectives vies: d'una banda, l'estatunidenc Robert Brout i el belga Francois Englert; per un altre, els estatunidencs Gerald Guralnik i Carl Richard Hagen i l'anglès Tom Kibble; i finalment, el propi Higgs, basat en el treball del japonès Yoichiro Nambu.

Aquesta teoria suposa que totes les partícules estan incloses en una zona, la d'Higgs. Aquesta suposada zona té un caràcter especial, ja que algunes partícules es mouen dins de la zona sense cap mena d'obstacles i unes altres no, perquè tenen una interacció amb la zona.

Seria com que les persones passessin per un blat de moro. Les plantes de blat de moro estan plantades en línies, per la qual cosa si es mouen en diferents direccions, el caminante no té obstacles per a avançar. Però si canvia una mica l'angle del recorregut, és a dir, si es desplaça d'alguna manera, xocarà contínuament amb les plantes de blat de moro. La zona d'Higgs per a les partícules seria la mateixa que per als caminantes: unes partícules es mouen sense obstacles i unes altres xoquen amb la zona.

L'exemple pot servir per a comprendre el concepte de zona, però cal destacar que el camp d'Higgs no és alguna cosa que influeixi espacialment. Per contra, serveix per a explicar la interacció entre les partícules i l'àrea. Les partícules que no interaccionen es mouen a la velocitat de la llum i no tenen massa, i les que xoquen es mouen més lentament i tenen massa. Per exemple, el fotó es mou sense obstacles en la zona d'Higgs, es mou sense obstacles en la zona d'Higgs i l'electró no.

Una zona, una partícula

Si la teoria d'Higgs és correcta, per què han de buscar una partícula i no un camp? La qüestió és que en física són el mateix. D'alguna manera, cada tipus de camp es transmet a través de diferents partícules. El fotó transmet el camp electromagnètic, que és l'exemple més clar. I la resta de forces es transmeten a través de les partícules. Els bosons Z i W transmeten una força nuclear feble i un conjunt de quarks transmeten una força nuclear violenta. Al seu torn, la zona d'Higgs és transmesa per una partícula. Segons la teoria, aquesta partícula és un bosó, per la qual cosa a detectar se'l denomina bosó Higgs.

Al final, si troben el bosó, descobriran el camp i el mecanisme teòric que dóna massa a les partícules quedarà confirmat.

La teoria també ha anunciat les característiques d'aquest bosó. Si existeix, necessita una partícula pesant. Això significa que l'impacte que han de provocar per a detectar aquesta partícula és molt energètic. Hi ha, per tant, dos acceleradors en el món per a poder realitzar un experiment d'aquest tipus: Tevatron i el prestigiós LHC que ara es posa en marxa.

El primer, Tevatron, pertany a l'organització Fermilab, un gegantesc centre de recerca de física de partícules als Estats Units. La segona, el LHC, pertany al laboratori CERN, organització europea amb el mateix objectiu. En part, la detecció del bosó Higgs s'ha convertit en un concurs entre Europa i els Estats Units. Això no és del tot cert, perquè molts científics de Fermilabe dels Estats Units estan participant en la preparació del nou LHC i realitzaran allí experiments. Però, d'altra banda, trobar el bosó Higgs a casa pot tenir molta importància i, des d'aquest punt de vista, és una gran competició. La major esperança es troba en el LHC, ja que en aquests set anys en què Europa ha estat sense acceleradors gegants, no ha estat descobert en Tevatron.

I si no existeix?

Al final, Europa podria detectar el bosó Higgs. O els Estats Units. O els estatunidencs amb l'accelerador europeu o, qui sap, amb l'accelerador estatunidenc. La competència està oberta. Però, per descomptat, hi ha una altra opció: que ningú trobi el bosó Higgs. Llavors, què?

És fàcil saber quan s'ha detectat una partícula existent, però és molt difícil decidir que aquesta partícula no existeix perquè no l'han detectat. Si no ho detecten, podria pensar-se que amb la millora de l'experiment sí que apareixerà. Per tant, no hi ha fi (més ben dit, el final seria tancar la font d'ingressos).

Hi ha qui diu que el bosó Higgs ja ha aparegut en diversos experiments, però els científics no s'han adonat, perquè no l'esperaven. Tanmateix, si això és cert, es dissenyarà fàcilment un experiment per a atrapar al bosó Higgs.

I pot ser que els físics hagin d'esperar una altra teoria. Almenys una cosa és clara: la massa existeix i abans o després hauran d'explicar per què.