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domingo 21, abril 2024

El Bosón de Higgs: la última pieza del Modelo Estándar

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El pasado lunes 4 de julio de 2022 fue una fecha señalada en el calendario dentro de la comunidad científica pues se celebró el décimo aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs en el año 2012, sin duda, uno de los acontecimientos más importantes de este siglo en el mundo de la ciencia. Y lo es porque el bosón de Higgs era la pieza que faltaba para completar el gran rompecabezas que explica cómo interactúan los componentes básicos de la materia, gobernados por cuatro fuerzas fundamentales, llamado Modelo Estándar. Pero no solo eso, sino que el propio bosón de Higgs es parte de la respuesta a por qué nosotros, y todo con lo que interactuamos, tenemos masa. Como todos entenderéis, explicar que es el bosón de Higgs exactamente y qué papel juega dentro del Modelo Estándar de una manera clara y sencilla no es tarea fácil, pero lo vamos a intentar en las próximas líneas. Para ello debemos ir paso a paso definiendo varios conceptos que nos harán entender mejor el tema. Por lo tanto, prepararos para unos minutos de lectura…

Bien, comencemos entonces por el principio. La materia, como todos sabemos, está formada por átomos. Sin embargo, los átomos no son lo que llamamos “partículas elementales”. Son, de hecho, estas últimas las que forman los átomos. Definimos las partículas elementales como las que no están formadas por partículas más simples (no se pueden dividir en otros tipos de partículas) y, en consecuencia, son los constituyentes elementales de la materia. Por ejemplo, en un átomo conocemos casi de memoria tres tipos de partículas: el protón, el electrón y el neutrón. Pues bien, de todas ellas solo una es partícula elemental: el electrón. Tanto el protón como el neutrón están hechas de otras partículas más pequeñas llamadas quarks (de los cuales hay varios tipos) que sí son partículas elementales. Como el electrón y los quarks hay varias partículas elementales más que están divididas en dos grupos: quarks y leptones. Cada grupo consta de seis partículas, que están relacionadas en pares o “generaciones”. Las partículas más ligeras y estables forman la primera generación, mientras que las partículas más pesadas y menos estables pertenecen a la segunda y tercera generación. Toda la materia estable del universo está formada por partículas que pertenecen a la primera generación; cualquier partícula más pesada se descompone rápidamente en otras más estables. Los seis quarks se emparejan en tres generaciones. El “up quark” (quark arriba) y el “down quark” (quark abajo) forman la primera generación. Después tenemos el “charm quark” (quark encanto) y el “strange quark” (quark extraño) que forman la segunda generación. Finalmente, la tercera generación la forman “top quark” (quark superior) y el “bottom (or beauty) quark” (quark inferior (o belleza)). Por otro lado, el grupo de los leptones está compuesto también por seis partículas dispuestas a su vez en tres generaciones: el electrón y el neutrino electrónico (primera generación), el muón y el neutrino muónico (segunda generación) y el tau y el neutrino tauónico (tercera generación). El electrón, el muón y el tau tienen carga eléctrica y una masa considerable, mientras que los neutrinos son eléctricamente neutros y tienen muy poca masa (Figura 1). Cabe destacar que la combinación de quarks se denomina hadrón. Hay dos tipos de hadrones, los bariones y los mesones. La materia con la que convivimos suele denominarse también materia bariónica pues está compuesta por bariones (los protones y los neutrones son bariones). Los bariones se distinguen de los mesones en el número de quarks que los forman. Un barión está compuesto por 3 quarks mientras que un mesón está formado por un quark y un antiquark (la antipartícula del quark, ver publicación anterior sobre la antimateria para entender que es una antipartícula). Los mesones son partículas más exóticas y difíciles de detectar de las que hay dos tipos, el pión y el kaón.

Figura 1. elementales
Figura 1. Partículas elementales

Sin embargo, este no es el final de la historia. Lo cierto es que para no tener un universo formado por una sopa de partículas independientes flotando en el vacío, debemos tener una serie de fuerzas que las unan. Y aquí es donde entran en juego las llamadas fuerzas fundamentales. Hay cuatro fuerzas fundamentales que actúan en el universo: la fuerza fuerte (mantiene unidos los nucleones, es decir, a los protones y a los neutrones venciendo a la fuerza electromagnética que tiende a separar a las partículas de la misma carga, los protones son todos de carga positiva)), la fuerza débil (responsable de la desintegración radiactiva de las partículas subatómicas), la fuerza electromagnética (fuerza que actúa entre partículas cargadas, como electrones cargados negativamente y protones cargados positivamente) y la fuerza gravitatoria (atracción entre objetos que tienen masa). Cada una de ellas actúa en diferentes escalas, tienen, digamos, puntos fuertes y débiles. La gravedad es la más débil, pero tiene un alcance infinito. La fuerza electromagnética también tiene un alcance infinito, pero es muchas veces más fuerte que la gravedad. Las fuerzas débil y fuerte son efectivas solo en un rango muy corto y dominan solo al nivel de las partículas subatómicas. A pesar de su nombre, la fuerza débil es mucho más fuerte que la gravedad, pero, de hecho, es más débil que la electromagnética y que la fuerte. La fuerza fuerte, como sugiere su nombre, es la más fuerte de las cuatro interacciones fundamentales. Pero al margen de su magnitud y alcance, resulta más interesante saber que tres de estas fuerzas fundamentales resultan del intercambio de lo que se llaman “partículas portadoras de fuerza”. Estas partículas portadoras de fuerza pertenecen a un grupo más amplio llamado “bosones”. La interacción entre las partículas de materia (quarks y leptones) y las partículas portadoras de fuerza se realiza mediante un complejo mecanismo, diferente para cada interacción en particular, que se basa en el intercambio de bosones entre las partículas de materia y que conlleva a su vez una transferencia de energía entre ellas. Cada fuerza fundamental tiene su propio bosón: la fuerza fuerte es “transportada” por el “gluón”, la fuerza electromagnética es “transportada” por el “fotón” y los “bosones W y Z” son responsables de la fuerza débil. Aunque todavía no se ha encontrado, el “gravitón” debería ser la partícula portadora de la fuerza de gravedad (Figura 2).

Diagrama con la relación entre las diferentes partículas elementales.
Figura 2. Diagrama con la relación entre las diferentes partículas elementales.

Estas interacciones que acabamos de mencionar y que hemos descrito de forma cualitativa, están perfectamente formuladas por el conocido “Modelo Estándar”. Este modelo es uno de los logros más importantes de la ciencia en toda la historia pues explica con éxito las interacciones más básicas que dan lugar a toda la materia de la que vivimos rodeados. Resume con éxito nuestro conocimiento actual de los constituyentes básicos de la materia y sus interacciones recopilando las teorías y descubrimientos de miles de físicos desde la década de 1930. Este modelo nos da una visión notable de la estructura fundamental de la materia. Desarrollado a principios de la década de 1970, el Modelo Estándar ha explicado con éxito casi todos los resultados experimentales y ha predicho con precisión una amplia variedad de fenómenos. Con el tiempo y a través de muchos experimentos, el Modelo Estándar se ha establecido como una teoría física bien probada. En su formulación incluye las fuerzas electromagnética, fuerte y débil y todas sus partículas portadoras, y explica bien cómo actúan estas fuerzas sobre todas las partículas de materia.

Sin embargo, faltaba algo en el Modelo Estándar, estaba incompleto. Explicar por qué los físicos sabían que faltaba algo es complejo, pero intentémoslo. Lo primero que tenemos que saber es que el Modelo Estándar que surge dentro del marco de la Teoría Cuántica de Campos (Quantum Field Theory, en inglés) que fue desarrollada con aportaciones de algunos de los físicos más brillantes de la historia (Schrödinger, Dirac, Heisenberg, Pauli, Feynman, etc.) desde la década del 20 del siglo pasado. La Teoría Cuántica de Campos describe el mundo de las partículas microscópicas de manera muy diferente a la vida cotidiana. Los llamados “campos cuánticos” se distribuyen por todo el universo y dictan lo que la naturaleza puede y no puede hacer. En esta descripción, existe lo que se llama “dualidad onda-partícula” ya que cada partícula puede ser representada por una onda en un “campo”. Un ejemplo es el fotón, la partícula de luz, que es una onda en el campo electromagnético. Como ya hemos comentado, cuando las partículas interactúan entre sí intercambian “partículas portadoras de fuerza”. Estos portadores de fuerza, antes descritos, son partículas (bosones), pero en este marco, también pueden describirse como ondas en sus respectivos campos. Por ejemplo, cuando dos electrones interactúan, lo hacen intercambiando fotones: los fotones son los portadores de fuerza de la interacción electromagnética. Por otro lado, uno de los componentes más importantes de esta teoría es la simetría. El concepto de simetría en este contexto es difícil de entender, pero en cierto modo se parece al concepto que tenemos habitualmente de la simetría. Comúnmente decimos que un objeto o forma geométrica es simétrica cuando permanece invariante al someterla a ciertas transformaciones, movimientos o intercambios. Por ejemplo, un círculo es simétrico bajo rotación ya que por mucho que lo giremos permanece igual. Pues con las leyes de la naturaleza se imponen requisitos similares de simetría. Por ejemplo, la fuerza eléctrica entre partículas con una carga eléctrica de uno siempre será la misma, independientemente de si la partícula es un electrón, un muón o un protón. Tanto los campos cuánticos y la representación de las partículas como ondas como las simetrías forman la base y definen la estructura de la Teoría Cuántica de Campos y, por lo tanto, del Modelo Estándar.

Pues bien, el Modelo Estándar presentaba una pequeña falla precisamente en una de estas simetrías. Utilizando la noción de simetría, los físicos pudieron proporcionar un conjunto unificado de ecuaciones tanto para el electromagnetismo (electricidad, magnetismo, luz) como para la fuerza nuclear débil (radiactividad). De esta forma, lograron unificar las dos fuerzas en una conocida como “fuerza electrodébil”. Sin embargo, estas mismas simetrías que habían permitido la unificación de estas dos fuerzas presentaban un problema evidente: las simetrías explicaban la fuerza electrodébil, pero para mantener las simetrías válidas quedaba prohibido que las partículas portadoras de fuerza tuvieran masa. Esto generaba un problema grave ya que se sabía que el fotón, partícula portadora del electromagnetismo, no tenía masa, pero los bosones W y Z, portadores de la fuerza débil, tenían que tener necesariamente masa. Y esto se sabía, pese a que en la época que surgió este problema todavía no se habían detectado ni el W y ni el Z, porque los físicos eran conscientes de que, si el W y Z no tuvieran masa, procesos ya conocidos en aquel tiempo como la desintegración beta (la desintegración beta es un tipo de desintegración radiactiva en la que una partícula beta (electrón o positrón energético rápido) se emite desde un núcleo atómico) se habrían producido a velocidades infinitas, algo que es físicamente imposible. Pero apareció la solución. En 1964, dos artículos, uno de Robert Brout y François Englert, el otro de Peter Higgs, ofrecían una salida: un nuevo mecanismo que rompería la simetría electrodébil y, por lo tanto, la imposibilidad de que los bosones W y Z tuvieran masa. El llamado mecanismo de Brout-Englert-Higgs se sustenta en dos componentes principales: un campo cuántico completamente nuevo y cuya manifestación cuántica es el bosón de Higgs y un truco especial. Dicho truco es la ruptura espontánea de la simetría. Una simetría rota espontáneamente es aquella que está presente en las ecuaciones de una teoría pero que se rompe cuando vemos el sistema físico. Veámoslo con este ejemplo que es bastante claro.

Imaginemos que ponemos un lápiz en equilibrio sobre su punta en el centro de una mesa. Esta es una situación perfectamente simétrica. Sin embargo, todos sabemos que esta situación se mantiene solo por un momento, el lápiz cae inmediatamente al soltarlo. Al caerse, la simetría rotacional (cuando está vertical sobre la punta, si rotamos la mesa, vemos el lápiz igual desde todos los ángulos) se rompe pues el lápiz “escoge” una sola dirección en la que apunta al caerse. Sin embargo, esta repentina perdida de simetría no implica que las leyes de la Naturaleza cambien, de hecho, no lo hacen. Simplemente el lápiz se cae en una dirección que no está predefinida en las leyes físicas, no hay una ley que nos diga hacia dónde debe caer el lápiz. Desde este punto de vista, la falta de simetría es esencialmente un “engaño”, no altera la simetría original de la física.

Ahora bien, ¿cómo resolvemos el problema de las masas de los bosones W y Z? De la siguiente manera. Justo en el momento en que se creó el universo en el Big-Bang, este estaba lleno del campo de Higgs en un estado inestable pero simétrico. Pero una fracción de segundo después del Big Bang, el campo de Higgs encontró una configuración estable, pero que rompía esa simetría inicial. En esta nueva configuración, las ecuaciones siguen siendo simétricas, pero la simetría rota del campo de Higgs da lugar a la masa de los bosones W y Z. Con esta brillante idea Brout, Englert y Higgs solventaron el problema de la masa de los bosones W y Z y, sobre el papel, todo encajaba perfectamente. Pero todavía quedaba un problema: el campo cuántico tenía su partícula portadora asociada, el bosón de Higgs, que tendríamos que encontrar para confirmar definitivamente las ecuaciones. Es decir, el acertijo matemático se había resuelto, pero aún quedaba por probar si las matemáticas describían la realidad física.

Y en este punto apareció el famoso Large Hadron Collider (LHC) o Gran Colisionador de Hadrones (se llama así porque hace colisionar hadrones, habitualmente protones) situado en el complejo del CERN, en Ginebra (Suiza). EL LHC es el acelerador de partículas más grande y potente del mundo y la maquina más grande construida por el hombre hasta ahora. Se puso en marcha por primera vez el 30 de marzo de 2010 y consiste en un anillo de 27 kilómetros de imanes superconductores con una serie de estructuras aceleradoras para impulsar la energía de las partículas a lo largo de su trayecto. La búsqueda del bosón de Higgs se confió al LHC. Se sabía que las colisiones de partículas a energías suficientemente altas podrían producir un bosón de Higgs, pero durante mucho tiempo los físicos fueron un poco a ciegas porque no sabían exactamente cuál era este rango de energía. Se habían buscado signos del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP), que fue el predecesor directo del Gran Colisionador de Hadrones, y en el Tevatron del Fermilab en los EEUU. Sin embargo, el LHC tenía la capacidad de explorar todo el rango de energía predicho donde podría aparecer el bosón de Higgs, y los dos detectores de partículas instalados en el LHC, el ATLAS y el CMS, estaban destinados a proporcionar una respuesta definitiva sobre su existencia. Para ello, los físicos debían identificar entre las ingentes cantidades de partículas que se generan en un choque la firma del bosón de Higgs. Lo que ocurre es que cuando dos protones chocan dentro del LHC, son sus quarks y gluones constituyentes los que interactúan entre sí. Estas interacciones de alta energía pueden, a través de efectos cuánticos bien predichos, producir un bosón de Higgs, que se transformaría inmediatamente en partículas más ligeras que ATLAS y CMS podrían observar. Por lo tanto, los científicos necesitaban acumular evidencia suficiente para sugerir que las partículas que podrían haber aparecido a partir de una producción y transformación de Higgs eran, de hecho, el resultado de dicho proceso. En diciembre de 2011 el CERN anuncio que los primeros signos del bosón de Higgs estaban allí: ambos detectores habían visto señales en sus datos que comenzaban a verse distintos de cualquier fluctuación estadística o ruido. Pero estos resultados carecían de la certeza estadística necesaria para reclamar descubrimiento. Se tuvo que esperar hasta julio de 2012 para hacer oficial el descubrimiento tan solo dos años después de haber empezado a recopilar datos.

Ahora que sabemos que realmente existe el bosón de Higgs y que el problema de la masa de los bosones W y Z está resuelto, una última pregunta que nos podríamos hacer es, ¿cómo actúa el bosón de Higgs? Es decir, ¿cómo se genera la masa de las partículas? Vamos a tratar de explicarlo. Lo primero que hay que decir es que, pese a que, como hemos comentado, el mecanismo de Brout-Englert-Higgs fue inicialmente desarrollado para explicar la masa de los bosones W y Z, pronto los científicos se dieron cuenta de que el mismo mecanismo podría utilizarse para explicar como el resto de partículas adquiría su masa. Pero, ¿qué es lo que conocemos como “masa”? En la vida cotidiana, la masa es aquel valor que observamos al “pesar” algo. Este valor nos dice “cuanta cantidad de materia” tiene un objeto. Cuando algo “pesa” mucho nos da una idea de que nos va a costar mucho moverlo o levantarlo y en realidad esta idea es la que más se ajusta a la definición física de masa ya que, en física, la masa es aquella magnitud física que mide la inercia del cuerpo, es decir, la resistencia a la aceleración (cambio de velocidad) cuando se aplica una fuerza neta. Pongamos un pequeño ejemplo para entender esto.

Imaginemos un ciclista en una bicicleta yendo a una velocidad constante. De repente se cruza con una persona y esta le da un empujón por detrás. Inmediatamente la velocidad del ciclista cambia, la bicicleta acelera. Pongamos ahora un coche circulando a la misma velocidad que la bicicleta y al que le ocurre la misma situación, una persona lo empuja por detrás con la misma fuerza que a la bicicleta. Como todos sabemos, el coche ni se inmuta, su velocidad no cambia lo más mínimo.

Esto ocurre porque la inercia, la resistencia al cambio de velocidad, del coche es mucho mayor que la de la bicicleta y esto es así porque su masa es mucho mayor. De este modo, la masa se puede ver como una medida de la resistencia al cambio de velocidad. Si hemos entendido esto, entenderemos fácilmente como el campo de Higgs actúa. El campo de Higgs, cuya manifestación, como ya hemos mencionado, es el bosón de Higgs, está por todas partes, es omnipresente. Esto quiere decir que, según los cálculos, su “valor esperado” es distinto de cero en todas partes. Incluso en el vacío más absoluto está presente. Y esto hace que aquellas partículas que por naturaleza pueden interactuar con él estén todo el tiempo sujetas a esa interacción, de tal forma que vistas desde fuera adquieren una masa. Como esto quizás es un poco difícil de ver, partamos desde el otro punto de vista: las partículas sin masa. Puede parecer un poco extraño, pero la característica que define a cualquier partícula sin masa es que viaja a la velocidad de la luz. Es decir, a aproximadamente 300 millones de metros por segundo. Desde esta perspectiva, la masa sería solo la propiedad de no tener que viajar siempre a la velocidad de la luz y, como efecto secundario, esto también significa no poder viajar a la velocidad de la luz. Pero la clave es que las partículas con masa tienen la suerte de viajar a la velocidad que quieran, siempre que sea más lenta que la luz, aplicándoles una fuerza. Ahora bien, en este punto, podemos decir que, si no hubiera un campo de Higgs, todas las partículas no tendrían masa y, por lo tanto, viajarían a la velocidad de la luz lo cual es, evidentemente, irreal. Las partículas sin masa tienen la propiedad de no interactuar con el campo de Higgs, digamos que “pasan de largo” cuando se encuentran estas interacciones. Sin embargo, las partículas con masa interactúan con el campo de Higgs, es decir, “rebotan” con el campo de Higgs. De esta forma, una partícula que originalmente no tenía masa empezó de interaccionar con el campo de Higgs, empezó a “rebotar” con el campo de Higgs impidiéndole el avance libremente y adquirió masa. Con estas interacciones continuas con el campo de Higgs, una partícula que originalmente nació sin masa, al considerar los “rebotes” se ve y actúa como si tuviera masa. Un último ejemplo (típico) para visualizar este mecanismo es el siguiente.

Imaginemos que hay una fiesta con mucha gente desconocida. Cada uno está pasando la velada tranquilamente sin preocuparse mucho por los demás. En cierto momento, entra en la fiesta otra persona desconocida y quiere llegar al otro extremo de la habitación. Esta persona lo hace sin problemas y sin interacción con el resto de los asistentes porque pasa desapercibida. Esta sería nuestra partícula sin masa. Ahora pongamos que llega a la fiesta una persona muy famosa, un cantante o futbolista famoso. Inmediatamente la gente de la fiesta se da cuenta y empieza a arremolinarse a su alrededor para sacarse una foto, pedir un autógrafo, etc. Esta persona famosa, que también quería cruzar la sala hasta el otro extremo, tarda mucho más tiempo y “arrastra” consigo a un gran número de personas. Esta persona famosa es nuestra partícula con masa.

Su interacción con el campo de Higgs ha hecho que su “tamaño efectivo inicial” y, por lo tanto, su “masa efectiva” creciera enormemente al desplazarse por la habitación (Figura 3). Este es el efecto del campo de Higgs actuando sobre las partículas con masa. Entran el campo de Higgs, los bosones de Higgs se arremolinan a su alrededor (es decir, interactúan con la partícula) y de este modo la partícula adquiere masa.

 

Figura 3. Visualización del mecanismo de Higgs para dotar de masa a las partículas.

Con el descubrimiento del bosón de Higgs, el Modelo Estándar quedaba totalmente demostrado y validado. De ahí la importancia de la búsqueda y el hallazgo del bosón de Higgs. Por lo tanto, hasta aquí todo bien, pero todavía queda trabajo por hacer y preguntas que responder. Por ejemplo, el Modelo Estándar no incluye la fuerza más familiar en nuestra vida cotidiana, la gravedad. La teoría cuántica utilizada para describir el micromundo (partículas elementales) y la teoría general de la relatividad utilizada para describir el macromundo (tamaños grandes, cosmología) son difíciles de encajar en un solo marco. Nadie ha logrado hacer que los dos sean matemáticamente compatibles en el contexto del Modelo Estándar. Pero, afortunadamente para la física de partículas, cuando tratamos con la escala microscópica, el efecto de la gravedad es tan débil que es insignificante. También hay preguntas importantes que no responde el Modelo Estándar, como “¿Qué es la materia oscura?”, “¿Qué pasó con la antimateria después del Big Bang?” o “¿Por qué hay tres generaciones de quarks y leptones con una masa tan diferente?”. Como vemos, muchas preguntas abiertas que dejan a los físicos mucho trabajo todavía por delante. A buen seguro, la nueva información de los futuros experimentos en el LHC nos ayudará a encontrar la respuesta a todas estas preguntas y más que están por llegar.

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