El Dr. Higgs y Mr. Bosón

Me despierto un día como otro cualquiera, cojo la prensa y leo mientras desayuno: “Después de más de 50 años de búsqueda han identificado la partícula de Dios[1]”; sorprendentemente me entero que han descubierto a Dios, y que por alguna razón lo llaman Higgs. Aunque ya me intuía la existencia de Dios, el periódico comenta que tiene una partícula más pequeña que un átomo, el bosón, que da sentido físico y material a toda nuestra realidad. Aún siendo un profano en el tema, ya que tengo como profesión bloguero deportivo, me atraen mucho los temas científicos. Recordaba vagamente del colegio que los átomos eran los bloques básicos e indivisibles por los cuales estaba compuesta toda la materia del Universo, y que además estaban formados por unas subpartículas, o algo así. Bueno, el caso es que le enseño la noticia a mi hijo de 14 años antes de llevarlo al colegio, en el momento del desayuno. Actualmente está cursando por primera vez la asignatura de física y química, y yo sabía que se había estudiado el tema sobre «Teoría Atómica». Claro, con su enorme curiosidad, me pregunta sin dilación: “Papá, ¿cómo es que hay una partícula, más pequeña que un átomo que da masa a todo lo conocido y que estuvo presente en el origen del universo?” Sin poder articular palabra y con la mirada clavada en el periódico, cayó la siguiente pregunta: “Si los bosones de Higgs son los arquitectos de la materia conocida, ¿por qué se escondía tanto esta partícula?” Sinceramente, no supe responder, aún leyendo la noticia en su totalidad.

En el trayecto en coche hacia el colegio se me pasaron varias cuestiones por la cabeza: primeramente, si nos preguntáramos quién puso ahí la “partícula de Dios” tendríamos inevitablemente que recurrir a nuestra fe. ¿La creencia religiosa y la ciencia podrían tener un posible nexo en este tema? Y en segundo lugar, ¿por qué es tan importante saber de dónde viene la masa? Por lo que había leído, la masa y el peso de un objeto no significan lo mismo, ya que se relacionan por esta sencilla fórmula: peso = masa x gravedad, por lo tanto, el peso dependerá de en qué planeta nos encontremos, además de la distancia a la que estemos del centro del mismo.

Conduciendo por la ciudad, mi hijo sentado a mi lado escuchando su iPod, y yo muy callado en el coche porque seguía dándole vueltas a las primeras líneas de la noticia: «Se consigue recrear en Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo que utiliza el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), lo que ocurrió una billonésima de segundo después de la explosión inicial del Universo (Big Bang), hace aproximadamente 13.700 millones de años. En ese instante apareció el bosón de Higgs, el elemento cuya existencia anticipó hace ya casi medio siglo el físico teórico Peter Higgs, y que viene a cerrar el modelo estándar de la física de partículas, el paradigma de la estructura de la materia». Este hecho me dejó tan marcado que esa misma noche, navegando por internet, me entero que en un portal de divulgación científica se puede participar en un ciclo de preguntas con el propio profesor Higgs. Esta podría ser una gran oportunidad para poder responder a mis dudas y las de mi hijo.

El portal se llamaba “EnTropico”, y como introducción al ciclo de preguntas tenía escritas estas frases:

«Los humanos hemos manipulado los átomos desde siempre para crear nuevos materiales y generar energía aprovechable, aún cuando ni siquiera sabíamos que existía el átomo. Componentes más pequeños que los átomos, como los quarks, leptones y bosones, se estudian actualmente para refinar nuestro entendimiento del Universo. Al igual que la Química posee una Tabla Periódica de los Elementos que se combinan, la Física tiene una tabla de subpartículas elementales que está descrita en el llamado Modelo Estándar donde se establecen 12 partículas diferentes. Todas ellas han sido observadas en alguna ocasión por los experimentos. Este modelo predice que todas las partículas tienen masa cero, algo totalmente imposible, a menos que exista otra partícula: el bosón de Higgs. Es como si se tratase de un rascacielos de 12 plantas que se mantiene en pie pero que nadie es capaz de ver la primera planta del mismo. Siguiendo las leyes fundamentales de la Física, debería estar ahí esa planta porque los edificios no flotan en el aire. Pues bueno, el bosón de Higgs sería esa primera planta. No se puede ver pero sí obtener su efecto que es por el cual los objetos tienen masa.

Para todos nuestros seguidores internautas, tendremos dentro de media hora el chat en directo con el Dr. Higgs para realizarle todas las preguntas que queramos y despejar nuestras dudas».

Genial, tenía pensadas una serie de preguntas pero no sabía por dónde empezar. Por otro lado, sentía vergüenza por lo que pudieran pensar los demás participantes en relación a la simpleza de mis dudas. Transcurrida media hora observo cómo un usuario del chat formula la primera pregunta:

Estimado profesor Higgs, es un honor poder participar con usted en este coloquio. Mi primera pregunta va relacionada con cuál es el sentido de fabricar ese Gran Colisionador de Partículas y con qué propósito. ¿Hay datos fiables de la existencia del bosón?

Se construyó esa máquina enorme, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, sus siglas en inglés), para, entre otras cosas, tratar de encontrar una partícula cuya existencia es efímera.  Realmente no se buscaba una partícula, sino la excitación de un campo (de Higgs). Coloquialmente es como si una ballena, en cualquier punto de un océano congelado, encuentra un pequeño hueco y respira provocando una fuente de agua fugaz la cual se desvanece al instante. Suponiendo que la ballena realiza esa operación una vez cada año, es muy difícil poder observar tal evento. Así que en el LHC se fuerza a que millones de ballenas (siguiendo con la analogía) respiren al mismo tiempo. Lo que se registra en el LHC es el análisis estadístico de las ondas que deja el agua que proyectan esas ballenas al entrar en contacto con la superficie. Se hacen chocar millones de protones contra esa agua y se miden los efectos de la desaparición de los bosones que se han podido excitar en las colisiones.

Según los resultados obtenidos, el bosón al que nos referimos tiene una masa, medida en unidades de energía, cercana a 125 GeV (miles de millones de electrón-voltios[2]). Este es un signo casi inequívoco de que el Higgs existe (durante una billonésima de billonésima de segundo), como existe la onda que deja el agua que propulsa la ballena en la superficie del congelado océano.

Ahora era mi turno. A mí no me quedó muy claro, entre otras cosas, que era eso del LHC “Profesor Higgs, ¿qué es el LHC y cómo exactamente se llegó a identificar su bosón?

El LHC se podría decir que es una especie de velódromo de 27 km de radio para átomos y partículas subatómicas, donde las aceleran a casi la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000 metros por segundo), y las hacen colisionar para observar cuáles son las piezas que las forman. En cada choque hay que estudiar y registrar la velocidad, masa, energía, posición, carga y trayectoria de todos los “trocitos” que se generan. En uno de esos choques, y después de muchísimos años de experimentación, se pudo identificar el bosón. Se ha dejado identificar después de haber estado encajado en una teoría durante más de 50 años. En un futuro, el análisis detallado de los datos, nos podría hacer entender la naturaleza de la masa, la gravedad, la materia oscura, e incluso, otras dimensiones hasta la fecha puramente teóricas.

Según esta teoría, muchas partículas fundamentales no tuvieron masa inmediatamente después del Big Bang, sino que la adquirieron después, por la interacción con una región de energía invisible, algo que consiguió el bosón. Este es el bosón el cual eminentes y expertos investigadores bautizaron como el bosón de Higgs, algo con lo que estoy en desacuerdo porque yo llegué a postular la existencia de esa partícula gracias al trabajo previo de otros muchos científicos. Se me olvidaba comentar que esa región de energía es lo que la comunidad científica ha denominado “campo de Higgs”; les prometo que no tengo propiedades inmobiliarias en ese minifundio. Bromas aparte, a ver si soy capaz de expresar con un ejemplo el concepto y la importancia que representa el campo. Imaginemos una fiesta en la que los invitados están distribuidos por la habitación. La habitación representa el campo de Higgs. De repente entra una celebridad, el bosón. Los invitados se le acercan rápidamente formando un grupo macizo. Mientras la celebridad se pasea por la habitación, el pelotón de invitados que le rodea proporciona al grupo una velocidad adicional. El grupo es más difícil de detener de lo que sería un único invitado, así podemos decir que el grupo ha adquirido masa.

Con ese ejemplo ya veía los conceptos de manera más clara, me había animado, así que rápidamente redacté la siguiente pregunta:Mi hijo me preguntaba hoy si esa partícula estuvo presente en el origen del Universo, usted se refería ahora mismo como el Big Bang, ¿es eso cierto?

Mi buen amigo, esa es una gran pregunta. No cabe duda de que nuestro Universo procede de una explosión, llamada Big Bang, y existen además pruebas científicas que apuntan a que se encuentra en un estado de constante expansión desde aquel momento inicial. Sin embargo, todo parece indicar que el universo colapsará en algún instante (Big Crunch), encontrando así su fin. Pero, si el Universo procede de una explosión original, ¿qué fue lo que explotó? Esta pregunta es la que los investigadores que trabajan en el LHC tratan de responder, intentando reproducir las condiciones iniciales del universo desde el momento cero, hasta el segundo uno después de la gran explosión. Y para llegar a entender qué fue lo que explotó se tiene que recurrir al abstruso concepto de bosón de Higgs.

Para que usted se haga una idea rápida de este concepto, imagínese que en la habitación de su casa donde usted se encuentra quitamos todas las cosas, toda la materia, todo el aire y la enfriamos hasta el cero absoluto. ¿Qué es lo que queda? Usted dirá seguramente que lo que queda es “nada”, pero se equivoca lo que queda es vacío. “Vacío” es un concepto físico y “nada” es un concepto metafísico, en realidad “la nada” no existe, lo que existe es el vacío y en el vacío hay algo, eso que existe en el vacío es un campo de Higgs.

Eh!, un momento, cuando todo desparece de mi vista, ¿lo que queda es ese campo energético que lleva su apellido?

Un poco abstracto, ¿no? Bueno, otro ejemplo. Haga un esfuerzo mental e imagínese que ese campo de Higgs es una pradera de árboles. Observará como los árboles van desde el suelo hacia arriba señalando una dirección. Pues bien, las partículas que viajan en esa dirección recta serán más rápidas que las que recorren rama a rama los árboles y tropiezan con ellos. Esas partículas que recorren la hierba de abajo-arriba viajarán a la velocidad de la luz si carecen de masa, como los fotones, mientras que determinadas partículas, precisamente por tropezar con ciertos obstáculos o tener demasiada masa correrán menos, pero ninguna partícula será más rápida que la luz. En esta pradera, el bosón sería una partícula muy pesada que recorrería el suelo de forma perpendicular al resto de partículas, no pudiendo remontar por el tronco de los árboles por si misma debido a su enorme masa. Es una partícula paradójica ya que, aun siendo muy pesada y no pudiendo correr tanto como los fotones, sin embargo, es la que suministra la masa y por lo tanto velocidad, puesto que los fotones son a su vez bosones despedazados. Cuanto mayor sea la energía de las partículas que chocan, más masa podrán tener las resultantes, según la famosa ecuación de Einstein: E = m·c2. Se me acaba de ocurrir que puedo subir esta imagen al chat para que así todos puedan ver claramente lo que estoy exponiendo:

Imagen1

Figura 1. Imagen del experimento ATLAS realizado en el CERN (Centro Europeo de Física de Partículas) con el que se ha demostrado la existencia del bosón de Higgs.

Me atreví, con riesgo a que no me volviese a responder ninguna de mis preguntas, y dentro de mi total ignorancia en este terreno, a escribirle en el chat:Dr. Higgs, ¿está de broma?, yo diría que se trata de una pintura abstracta ¿Me quiere hacer creer que en esa confluencia de espaguetis supersónicos se encuentra oculto el bosón?

Jajaja,…. Para entendernos: muy probablemente lo que explotó en el Big Bang fue un campo de Higgs formado por bosones de Higgs. La luz, la materia, el tiempo, la antimateria, los agujeros negros, las estrellas, la materia oscura, la vida, los elementos químicos y las fuerzas físicas: electromagnética, gravitacional, nuclear fuerte y nuclear débil proceden de aquel primordial bosón que concentraba en sí mismo una energía descomunal que podemos imaginar como un punto singular y que se dispersó en el Big Bang.

Esa confluencia da respuesta al origen de la masa. Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos, por lo que tampoco habría química, ni biología ni existiríamos nosotros mismos. La masa de las partículas estaría causada por una “fricción” con el campo de Higgs, por lo que las partículas que tienen una fricción mayor con este campo tienen una masa mayor. En algunos medios de divulgación científica ya han elaborado para explicar el proceso de formación de masa lo que simpáticamente llaman la “paradoja del famoso”: es como si David Beckham paseara por una calle principal próxima al río Támesis y, de repente, todas sus fans se unen a él multiplicando su masa al agregarse en torno al jugador de fútbol. Mientras que un señor desconocido que camina por la acera de enfrente no tiene ese efecto. Así se comporta.

Otro participante del chat se lanzó y directamente le preguntó:Dr. Higgs, yo estoy muy perdida en todo esto, y mi pregunta es más directa que las que le han formulado previamente. ¿El bosón le pertenece a usted? Y realmente, ¿qué es y por qué es tan importante el bosón de Higgs?

Ni mucho menos me pertenece. Para empezar, el mundo de las partículas subatómicas se divide en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son partículas que componen la materia, y los bosones portan las fuerzas o interacciones. Los componentes del átomo (electrones, protones y neutrones) son fermiones, mientras que el fotón, el gluón y los bosones W y Z, responsables respectivamente de las fuerzas: electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, son bosones. Si me lo permiten, voy a subir al portal otra imagen en la cual, de forma esquemática, se puede apreciar parte del mundo subatómico basado en lo que yo llamo la “fe cuántica” (Figura 2) aplicada a un objeto (una pelota de tenis).

Imagen2

 

Figura 2. Infografía extraída y modificada de la revista XLSemanal, nº 1291, reportaje ¿Quién es Peter Higgs?

Impresionante imagen había subido el Dr. Higgs. Fermiones son los bloques y bosones el pegamento que mantiene unida a toda la materia con esos bloques. Sobre la marcha escribí la siguiente pregunta que tenía para el profesor.En la pelota de tenis de la imagen, ¿dónde se encuentra todo eso? Debe ser muy pequeñito; ¿de qué escala estamos hablando?

Los mecanismos de formación de la materia se producen a una escala entre un millón y un billón de veces más pequeña que la escala atómica. No hay modo de imaginárselo, pero lo que sí se sabe es que todas las cosas tienen masa. A medida que se profundiza en la materia llega un momento en que sus constituyentes ya no se pueden trocear más y estamos ante las partículas elementales. Se ha conseguido investigar y entender prácticamente todo lo que ocurría con ellas, salvo su masa. Cuando hemos troceado algo hasta dejarlo sin estructura, ¿de qué depende su masa? Esa ha sido una preocupación de la física en los últimos cincuenta años. El bosón de Higgs da respuesta a ese problema, que sirve para explicar cómo esas partículas adquieren su masa por interacción con el campo energético invisible del cual ya había explicado en alguna pregunta anterior.

Cuando leí la pregunta que había formulado otro internauta no le encontraba sentido al principio, me parecía muy filosófica.Dr. Higgs, ¿se podría decir que este tipo de investigaciones nos retrotraen al origen de todo lo conocido?

Bueno, los instrumentos con los que se hacen las investigaciones a nivel subatómico son los aceleradores de partículas, más concretamente, el LHC. Éstos pueden entenderse de dos maneras. Una sería viéndolo como un gigantesco microscopio que nos permite acercarnos a una escala muchísimo más pequeña de la que consiguen los microscopios ordinarios. El otro símil es verlo como una máquina del tiempo que nos permite ir hacia atrás. En física, la energía y la distancia son magnitudes inversas, a mayor energía más podemos adentrarnos en la materia a distancias más pequeñas. También, cuanta más energía tengamos más atrás volvemos en el tiempo. En el momento del Big Bang el Universo estaba caliente y era muy pequeño. Esas condiciones se consiguen con los aceleradores de altas energías. El Universo actual tiene una edad de 13.700 millones de años. El acelerador y las condiciones conseguidas para dar con esta partícula nos llevan a una billonésima de segundo después del Big Bang. A escala humana un segundo no es nada, por lo que resulta complicado hacerse una idea de lo que puede ser una billonésima de segundo, pero acercarnos a ese momento recrea unas condiciones muy importantes para entender el mecanismo por el cual la energía se fue transformando en partículas, aparece el campo de Higgs y esas partículas empiezan a adquirir masa.

Y por supuesto, alguien quiso entrar en el terreno religioso.Lo que ya resulta inaccesible a la ciencia es el instante anterior al Big Bang. ¿Cree que serviría este descubrimiento para explicar la vida, el universo o, incluso, la conciencia humana?”

Efectivamente, eso ya excede a la ciencia. El Big Bang es el momento en el que tiene sentido empezar a hablar de tiempo y espacio. Antes de eso carecemos de coordenadas espaciales y temporales, por lo que la física no puede decir nada. El propio concepto de instante implica tiempo y no sabemos si antes del Big Bang existía el tiempo tal como lo entendemos. Con respecto a su consulta, yo le podría preguntar ¿de dónde sale y por qué existe el campo de Higgs? Yo no lo sé. Hay que tener presente que la ciencia no es el conocimiento exhaustivo de cada una de las partes de la naturaleza, sino el engarce de todas y cada una de ellas para generar el edifico completo de la misma.

No tenía ganas que se acabara el ciclo de preguntas, pero se iba a cumplir el tiempo y no quería quedarme con una curiosidad. “Como última pregunta Dr. Higgs, de no haberse identificado el bosón divino, ¿habría merecido la pena vivir cargando tantos años con esta hipótesis?” Tanto si se hubiese probado su existencia o no, la vida seguiría siendo maravillosa. Lo que sí le puedo afirmar es que desde los años 60 he tenido muchísimos “diálogos” con el bosón cuando se dejaba ver por mi mente en los cuales siempre acabábamos discutiendo porque, aun siendo la pieza fundamental de la génesis de la masa, se ocultaba receloso en una esquinita del modelo estándar de las partículas. Finalmente, y gracias al avance tecnológico, el escurridizo bosón se ha visto acorralado y no ha tenido más remedio que mostrarse a la comunidad científica.

[1] ¿Porque es denominada la “partícula de Dios”? El premio Nobel Leon Lederman escribió en los años 90 un libro sobre el bosón de Higgs titulado originalmente “The Goddamn Particle” (algo así como la partícula maldita). Al editor no le gustó y lo acortó a The God Particle (La Partícula divina, o Partícula de Dios, esa sería la traducción correcta)

[2] 1 GeV = gigaelectron-voltio equivale aproximadamente a la masa de un protón

 

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