Bosón Higgs, ¿estás ahí?

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

• Fisika

Decir que en este momento vamos a detectar el bosón Higgs es predecir el futuro y eso es peligroso. Nadie sabe lo que dará la física en el futuro. Ni la física ni cualquier otro ámbito humano. Para muchos físicos, el caso del bosón Higgs es una predicción a corto plazo; parece que hacer predicciones a corto plazo no es tan difícil como hacerlo a largo plazo. Sin embargo, es difícil.

Pero el bosón Higgs va de la palabra a la boca entre los físicos. El acelerador LHC generará (o podrá generar) la energía necesaria para detectar el bosón, lo que supone una gran esperanza. Se prevé que aparezca el bosón Higgs y el origen de la masa quede explicado.

Modelo estándar

La cuestión es por qué los físicos creen que existe el bosón Higgs si nunca lo han visto. Es cierto que nunca lo han visto, pero también es cierto que no tienen que ver a una partícula para darse cuenta de su existencia. Es como el viento: el viento no se ve, pero cuando vemos las ramas de los árboles en movimiento sabemos que hay viento. Y sus características (velocidad, dirección, etc.) se pueden medir.

En el caso del bosón Higgs no hay nada tan simple como las ramas de los árboles. Es una partícula anunciada por un error de una gran teoría. Esta gran teoría es un modelo estándar que ordena la física de las partículas. Es similar a la tabla periódica de elementos de química, pero es la de partículas subatómicas. Ordena las partículas en tres familias, dotándolas de sentido físico.

No es una teoría perfecta, ya que sólo abarca tres de las cuatro fuerzas fundamentales que existen en el universo: el modelo explica la fuerza electromagnética, nuclear violenta y nuclear débil, pero la fuerza de la gravedad no entra en esa teoría. Sin embargo, el modelo estándar es una teoría muy buena desde el punto de vista de la física de partículas pequeñas. Además de presentar partículas existentes, permite predecir las interacciones entre partículas. Concretamente, se diseñan los resultados de los experimentos que se realizan en los aceleradores en base al modelo estándar.

Sin embargo, el modelo estándar tiene un gran problema: no predice la masa de partículas. Y los físicos saben que muchas partículas tienen masa, claro. Los electrones, los protones y los neutrones, por ejemplo, tienen masa; todos los quark también lo tienen, ya que forman protones y neutrones. Otros muchos no, como el fotón. Sin embargo, según el modelo estándar clásico, todas las partículas son libres de masa y se desplazan a la velocidad de la luz.

Teoría de Higgs

Sin poder explicar la masa, los físicos en situación crítica XX. A mediados del siglo XX. La teoría era muy buena para comprender las partículas encontradas, pero no explicaba la masa de las partículas. Era imprescindible tener en cuenta este error y subsanarlo.

¿Pero cómo? Los físicos desarrollaron nuevas teorías para solucionar el modelo. Hacia 1964 una de estas teorías se impuso frente a otras: La teoría de Higgs. Lo recordamos con el nombre del escocés Peter Higgs, pero hay que destacar que mucha gente participó en el desarrollo de la teoría, es decir, no fue una casualidad. Tres grupos trabajaron la misma idea en sus respectivas vías: por un lado, el estadounidense Robert Brout y el belga Francois Englert; por otro, los estadounidenses Gerald Guralnik y Carl Richard Hagen y el inglés Tom Kibble; y por último, el propio Higgs, basado en el trabajo del japonés Yoichiro Nambu.

Esta teoría supone que todas las partículas están incluidas en una zona, la de Higgs. Esta supuesta zona tiene un carácter especial, ya que algunas partículas se mueven dentro de la zona sin ningún tipo de obstáculos y otras no, porque tienen una interacción con la zona.

Sería como que las personas pasaran por un maíz. Las plantas de maíz están plantadas en líneas, por lo que si se mueven en diferentes direcciones, el caminante no tiene obstáculos para avanzar. Pero si cambia un poco el ángulo del recorrido, es decir, si se desplaza de alguna manera, chocará continuamente con las plantas de maíz. La zona de Higgs para las partículas sería la misma que para los caminantes: unas partículas se mueven sin obstáculos y otras chocan con la zona.

El ejemplo puede servir para comprender el concepto de zona, pero hay que destacar que el campo de Higgs no es algo que influya espacialmente. Por el contrario, sirve para explicar la interacción entre las partículas y el área. Las partículas que no interaccionan se mueven a la velocidad de la luz y no tienen masa, y las que chocan se mueven más lentamente y tienen masa. Por ejemplo, el fotón se mueve sin obstáculos en la zona de Higgs, se mueve sin obstáculos en la zona de Higgs y el electrón no.

Una zona, una partícula

Si la teoría de Higgs es correcta, ¿por qué deben buscar una partícula y no un campo? La cuestión es que en física son lo mismo. De alguna manera, cada tipo de campo se transmite a través de diferentes partículas. El fotón transmite el campo electromagnético, que es el ejemplo más claro. Y el resto de fuerzas se transmiten a través de las partículas. Los bosones Z y W transmiten una fuerza nuclear débil y un conjunto de quarks transmiten una fuerza nuclear violenta. A su vez, la zona de Higgs es transmitida por una partícula. Según la teoría, esta partícula es un bosón, por lo que a detectar se le denomina bosón Higgs.

Al final, si encuentran el bosón, descubrirán el campo y el mecanismo teórico que da masa a las partículas quedará confirmado.

La teoría también ha anunciado las características de este bosón. Si existe, necesita una partícula pesada. Esto significa que el impacto que deben provocar para detectar esta partícula es muy energético. Hay, por tanto, dos aceleradores en el mundo para poder realizar un experimento de este tipo: Tevatron y el prestigioso LHC que ahora se pone en marcha.

El primero, Tevatron, pertenece a la organización Fermilab, un gigantesco centro de investigación de física de partículas en Estados Unidos. La segunda, el LHC, pertenece al laboratorio CERN, organización europea con el mismo objetivo. En parte, la detección del bosón Higgs se ha convertido en un concurso entre Europa y Estados Unidos. Esto no es del todo cierto, porque muchos científicos de Fermilabe de Estados Unidos están participando en la preparación del nuevo LHC y realizarán allí experimentos. Pero, por otro lado, encontrar el bosón Higgs en casa puede tener mucha importancia y, desde este punto de vista, es una gran competición. La mayor esperanza se encuentra en el LHC, ya que en estos siete años en los que Europa ha estado sin aceleradores gigantes, no ha sido descubierto en Tevatron.

¿Y si no existe?

Al final, Europa podría detectar el bosón Higgs. O Estados Unidos. O los estadounidenses con el acelerador europeo o, quién sabe, con el acelerador estadounidense. La competencia está abierta. Pero, por supuesto, hay otra opción: que nadie encuentre el bosón Higgs. Entonces, ¿qué?

Es fácil saber cuándo se ha detectado una partícula existente, pero es muy difícil decidir que esa partícula no existe porque no la han detectado. Si no lo detectan, podría pensarse que con la mejora del experimento sí aparecerá. Por lo tanto, no hay fin (mejor dicho, el final sería cerrar la fuente de ingresos).

Hay quien dice que el bosón Higgs ya ha aparecido en varios experimentos, pero los científicos no se han dado cuenta, porque no lo esperaban. Sin embargo, si esto es cierto, se diseñará fácilmente un experimento para atrapar al bosón Higgs.

Y puede que los físicos tengan que esperar otra teoría. Al menos una cosa está clara: la masa existe y antes o después tendrán que explicar por qué.