Partículas elementales, masa y bosón de Higgs

Visita del profesor McManus al túnel del gran colisionador de hadrones (LHC) donde se han realizado los experimentos que han permitido demostrar la existencia del bosón de Higgs.

Visita del profesor McManus al túnel del gran colisionador de hadrones (LHC) donde se han realizado los experimentos que han permitido demostrar la existencia del bosón de Higgs.

Seguro que en el Instituto te han repetido una y mil veces que el Universo está formado por materia y energía, que la materia es aquello que “se puede tocar”, que tiene masa y que la energía es una propiedad asociada a los cambios que puede sufrir la materia. Y de esta forma, asumimos esta sencilla estructura dual del Universo en la que todo cabe en uno de esos dos compartimentos bien diferenciados. Nuestros sentidos nos sugieren que el modelo se ajusta bien a lo que percibimos: Por una parte está los que vemos y podemos tocar y, por otra, un algo escurridizo, que puede transmitirse y que hace que eso que vemos y podemos tocar no sea siempre igual y modifique sus características.

También aprendemos que la masa (que definimos como cantidad de materia), a diferencia del peso, es una propiedad invariable de los objetos materiales, y nos sentimos satisfechos cuando comprendemos que, mientras que nuestro peso varía porque depende de la interacción con el campo gravitarorio de cada planeta (que es diferente  en cada caso), nuestra masa siempre es la misma porque no depende de ninguna interacción.

La verdad es que el modelo es útil y funciona muy bien a nuestra escala para comprender nuestro mundo cotidiano. Pero si nos seguimos haciendo preguntas y queremos comprender el Universo más allá de nuestra experiencia directa, a la escala más pequeña y elemental posible, entonces surgen las sorpresas…

Un Universo de partículas y cuatro fuerzas

La teoría que hoy es ampliamente aceptada para responder a las preguntas ¿de qué está hecho el Universo y por qué es así? recibe el nombre de modelo estándar de la Física de partículas. Esta teoría defiende que el Universo está constituido por un conjunto muy variado de partículas elementales, que no pueden ser subdivididas en otras más pequeñas y que se relacionan entre sí de acuerdo con unas determinadas reglas. Lo interesante de esta teoría, como de otras buenas teorías científicas, es que establece una serie de leyes expresadas mediante fórmulas matemáticas que predicen cómo deben ser y comportarse esas partículas elementales. Mejor aún: los resultados de los experimentos que se han hecho  coinciden con lo que predice la teoría.

Las características de buena parte de los fenómenos que observamos en el Universo pueden explicarse en función de las propiedades de estas partículas y de su forma de interaccionar, así que merece la pena conocerlas.

A principios del siglo XIX se propuso que estas partículas elementales indivisibles de la materia eran los átomos (en realidad, el concepto de átomo era mucho más antiguo, pero hasta entonces no se había formulado una teoría científica que lo sustentase). Sin embargo, a principios del siglo XX quedó claro que los átomos no eran indivisibles y que contaban con su propia estructura interna formada por otras partículas más pequeñas. Como sabes, se descubrieron los electrones, protones y neutrones. Se pensó durante unos años que estas podían ser las partículas elementales que formaban la materia. Probablemente sepas que, en realidad,  el estudio de las partículas elementales no había hecho más que empezar.

En los años 50 y 60 del siglo pasado empezaron a construirse y usarse los aceleradores de partículas, tubos circulares en cuyo interior pueden hacerse circular partículas elementales a velocidades impresionantes que se aproximan a la de la luz. ¿El objetivo? hacerlas girar en sentido contrario y provocar su choque a velocidades altísimas. Seguramente te parecerá una actividad poco “elegante”, más propia de niños traviesos jugando a destrozar que de profesionales científicos; pero es que destrozar algo, aunque rara vez sea la opción más aconsejable, puede darnos información muy interesante sobre ese objeto.

Imagina que un niño tiene un juguete del que quiere saber cómo es por dentro. El niño sospecha que está compuesto de diversas partes, pero no tiene forma de distinguirlas a simple vista ni encuentra la manera de desmontarlo delicadamente. ¿Solución? ¡estrellarlo contra el suelo!… y cuanto más fuerte mejor, porque se partirá en piezas más pequeñas y podrá descubrir más detalles.

Pues bien, sin ánimo de ofender a nadie, los físicos de partículas son como esos niños traviesos. En su caso, no tienen forma de “desmontar” las partículas más pequeñas de la materia de forma delicada, así que recurren a hacerlas chocar, a destruirlas, para estudiar todos los “trocitos” en los que se “parten”. De hecho, desde comenzaron a construirse los aceleradores de partículas, el objetivo ha sido aumentar cada vez más la velocidad hasta la que pueden acelerar las partículas, para que los choques sean más y más energéticos y los detalles resultantes sean cada vez más y más precisos. De esta forma, se descubrió que incluso los protones y los neutrones están compuestos de varias partículas materiales aún más pequeñas: los quarks.

Y no queda ahí la cosa; la constante experimentación durante la segunda mitad del siglo XX en este campo permitió descubrir una enorme variedad de partículas elementales (varios cientos) que se diferencian en al menos una de sus propiedades de las demás. Muchas de esas partículas son muy inestables, por lo que es imposible observarlas aisladamente de forma espontánea en la Naturaleza. Otras son más estables y fáciles de estudiar. Más aún, los estudios de estas partículas elementales y el desarrollo matemático de las leyes del modelo estándar permitieron no sólo identificarlas, sino también conocer cómo muchas de ellas interaccionan entre sí de un modo sorprendente.

Esa variada colección de partículas elementales  puede ser clasificada en dos grandes grupos:

a) Fermiones: Entre ellas, están las partículas que forman los átomos de la materia. Se subdividen en quarks (cuya unión  da lugar a protones y neutrones) y leptones, uno de los cuales son los electrones.

b) Bosones: Son las partículas que median las interacciones y se las llama portadoras de fuerza.

Muchos tipos de partículas se relacionan con otras provocando cambios mutuos, es decir, interactúan entre ellas. En cada tipo de interacción se intercambia otra partícula especial que se considera mediadora o portadora de esa interacción. Por ejemplo, la repulsión eléctrica entre los protones del núcleo (debida a su carga eléctrica) debería hacer que fuera imposible mantenerlos estables. Sin embargo, existen una partículas elementales llamadas gluones que median una interacción especial entre quarks y hacen que se mantengan unidos a pesar de la fuerza de repulsión eléctrica, dándole cohesión a los núcleos de los átomos. Esta especie de “pegamento” para los núcleos se llama fuerza nuclear fuerte  y la partícula portadora, como hemos dicho, es el gluón.

Existen otros tipos de partículas portadoras de fuerza. La más conocida es el fotón, del que ya hemos hablado en otras entradas, que es la partícula medidadora de las interacciones electromagnéticas. Los fotones nos resultan especialmente conocidos porque están implicados en dos tipos de fenómenos que conocemos bien (electricidad y magnetismo) y porque, de hecho, los seres vivos usan esta energía para obtener información de lo que le rodea. La luz que nos permite ver es un tipo especial de radiación electromagnética y esta compuesta de fotones. Los organismos vivos se “han esforzado” en lograr estructuras sensibles a estas partículas portadoras de fuerza y por tanto, nuestro concepto del Universo está basado, predominantemente, en una imagen sensorial de tipo electromagnético. Tiene su lógica: las reacciones químicas, que son la base del fenómeno de la vida, también están basadas en interacciones electromagnéticas entre los átomos que forman las biomoléculas.

Además de la fuerza nuclear fuerte y la electromagnética, existen otros dos tipos de fuerza que gobiernan el Universo. Una de ellas es llamada fuerza nuclear débil. Es una interacción que permite explicar la transformación de neutrones en protones y emisión de electrones (emisión beta) y otros procesos radiactivos. La fuerza nuclear débil es mediada por otras partículas portadoras llamadas bosones W y Z.  El otro tipo de fuerza es también muy bien conocida por nosotros, porque forma parte de nuestra experiencias cotidiana. Se trata de la fuerza gravitatoria. Se supone que debe existir otra partícula portadora de esta interacción, a la que se llama gravitón, pero, hoy por hoy, no se ha conseguido demostrar su existencia.

El problema de la masa de las partículas elementales y el bosón de Higgs

Decimos que la materia tiene masa, así que no debe sorpredernos que las partículas elementales que forman el Universo posean esta propiedad. Lo que resulta sorprendente es  que exista tanta diferencia entre la masa de unas partículas y la de otras. Estas diferencias de masa, comprobadas repetidamente, son especialmente difíciles de explicar en el caso de los bosones.  Los fotones (bosones portadores de la fuerza electromagnética) y los gluones (bosones portadores de la fuerza nuclear fuerte) son partículas cuya masa es cero. Por el contrario, los bosones W y Z (portadores de la fuerza nuclear débil) poseen una masa enorme, en comparación con otras partículas elementales. Sin embargo, las fuerzas electromagnética y nuclear débil son, según el modelo estándar, versiones de una misma fuerza, por lo que lo esperable sería que fotones y bosones W y Z tuvieran la misma masa.

Esta “ruptura de simetría” en las propiedades de las partículas portadoras de fuerza electromagnética y nuclear débil fue, durante mucho tiempo, un gran misterio sin solución. Para resolver este enigma, que  el modelo estándar no era capaz de explicar a mediados del siglo XX, era necesario incluir algún elemento nuevo en el modelo estándar con el que bosones W y Z, por una parte, y fotones, por otra, se relacionaran de forma diferente. En los años 60 del siglo pasado, varios científicos, entre ellos  el británico Peter Higgs, sugirieron la idea de que debía existir una interacción de las partículas elementales con un campo no considerado hasta entonces. Este campo debía estar asociado a una partícula con características precisas y debía estar presente en todo el Universo, “empapándolo” por completo. Fotones y bosones W y Z interactuarían de forma muy diferente con dicho campo, explicando, de esta forma, sus diferencias de masa.

En aquel entonces era sólo una hipótesis, porque no había resultados experimentales que apoyaran la idea, pero se trataba de un planteamiento muy sugerente. En honor a este científico, a este campo se le llamó campo de Higgs y a la partícula asociada bosón de Higgs, una partícula que por entonces era sólo una promesa no demostrada.

Lo más interesante de la hipótesis era que, sobre el papel, encajaba muy bien con el modelo estándar, explicaba las diferencias de masa entre bosones y, por extensión, entre las demás partículas elementales. Es decir, la interacción de las  partículas elementales con el campo de Higgs  sería la responsable de su masa. Aquellas partículas que, como el fotón o el gluón, no interactuásen con el bosón de Higgs, no poseerían masa, en tanto las que sí interactuasen, como los quarks o los bosones W y Z, serían tanto más masivas cuanto más intensamente interactuasen con estas partículas. En definitiva, la masa de las partículas elementales sería la manifestación de una interacción con un campo energético.

Las huellas del bosón de Higgs

Una vez marcado el objetivo (encontrar pruebas experimentales del prometedor bosón de Higgs) el diseño experimental para hallar pruebas de su existencia (o su inexistencia) no era difícil. En realidad, construir un acelerador de partículas a pequeña escala puede ser un proyecto que requiere más ingenio que coste económico. Básicamente, se trata de sincronizar electroimanes que proporcionen la fuerza impulsora que empuje a las partícula a lo largo de un recorrido concreto. Si quieres ver un ejemplo realmente interersante no te pierdas el siguiente video.

El problema era que la energía necesaria para realizar los experimentos  requeridos era enorme y los aceleradores de partículas existentes cuando se planteó la hipótesis de Higgs no eran capaces de alcanzarla. Pero en 2008 se puso en funcionamiento el gran colisionador de hadrones (más conocido por sus siglas en inglés LHC) que es el acelerador colisionador de partículas más potente del mundo, situado cerca de Ginebra (Suiza). En 2010 alcanzó su máxima potencia efectiva, después de algunos problems técnicos iniciales, consiguiendo que dos haces de protones chocasen a velocidades del 99.99% de la velocidad de la luz.

En realidad, muchas de las partículas producidas tras estos violentísimos choques no se pueden detectar directamente, porque son extremadamente inestables de forma aislada y desaparecen rápidamente dando lugar a otras nuevas partículas. Así pues, se trata de identificar partículas indirectamente a través del análisis de las cascadas de partículas formadas a partir de las colisiones. Para ello, el acelerador colisionador cuenta con sofisticados detectores de partículas que registran las nuevas partículas producidas en estos choques.

De esta forma, en 2012 se realizaron experimentos en la que se encontraron pruebas contuendentes de la existencia del anunciado bosón de Higgs. Fue quizá la noticia más sonada de ese año en el panorama científico y, de hecho, Peter Higgs y Francois Englert fueron merecedores del Premio Nobel de Física del año 2013.

Masa, pero ¿qué masa?

Así pues, la masa de una partícula es, en realidad, la intensidad de la interacción de dicha partícula con ese infinito mar de bosones de Higgs que inunda todo el Universo. Esta interacción se manifiesta como una resistencia de una partícula a desplazarse a través del espacio. Cuanto mayor sea la interacción, mayor será la resitencia al desplazamiento y mayor será la masa. Si no hay interacción, no hay masa.

Observa que, desde este punto de vista, la masa deja de ser una propiedad intrínseca que forma parte de la esencia de los objetos materiales y se transforma en una propiedad otorgada “desde fuera”, por su relación con otras partículas. ¿Resulta extraño? Pues lee el siguiente ejemplo y descubrirás que es fácil de asumir.

Imagina que tú y un famosísimo jugador de fútbol (este ejemplo no vale si tú también eres un tipo famoso, claro) entráis en una concurrida reunión de fans del equipo al que pertenece el jugador, y que ambos queréis atravesar la sala hasta llegar al escenario que hay al fondo. Probablemente tú podrás sortear a la gente de la reunión sin tener que pararte a saludar a nadie y llegarás al escenario en unos momentos. Ahora imagina al jugador de fútbol intentando hacer lo mismo: la gente lo reconoce, lo para, le estrecha la mano, – ¡Oye, eres lo más! ¡Fenómeno!¡Una foto, una foto!- ... ¿Conseguirá llegar algún día al escenario?… Lo que frena al jugador famoso no es una consecuencia de su volumen sino de su alta capacidad de interacción con el resto de individuos de la sala. Esta propiedad (que en nuestro ejemplo llamaríamos fama) es la que dotaría al jugador de una enorme resitencia a desplazarse. Así se entiende la masa desde el punto de vista del campo de Higgs.

El mismo ejemplo anterior es útil para explicar la naturaleza “interactiva” de la masa y el papel protagonista de los bosones de Higgs en la generación de la masa: El jugador que hace un momento era retenido por una legión de fans podría pensar en un arrebato de vanidad, que su fama o notoriedad es una propiedad intrínseca, que emana de su propia naturaleza. En realidad, su fama es una propiedad otorgada por otras personas, debido a la suma de atenciones (interacciones) que ellas le prestan. El concepto de fama, sólo tiene sentido en tanto que existan individuos dispuestos a mostrarse cautivados por ese individuo. Imagina a ese famoso jugador de fútbol en una remota isla despoblada y sin comunicación con ningún otro lugar,  e intenta imaginar el sentido de su fama en esas circunstancias. La fama , como la masa, es una  propiedad otorgada en virtud a una interacción con otras entidades.

Cuando uno escucha hablar por primera vez del bosón de Higgs y de cómo genera la propiedad masa, inevitablemente piensa en que también podría estar resolviéndose el enigma de la fuerza gravitatoria, ya que a la masa también la conocemos como responsable de la atracción gravitatoria. Cuesta resisitirse a preguntarse ¿será el bosón de Higgs “primo hermano” del gravitón? ¿Es el camino directo para comprender la interacción gravitatoria? Desgraciadamente, la solución no es tan fácil.

Probablemente habrás escuchado que desde que Newton elaboró sus teorías científicas quedó muy claro que, en realidad, cuandos hablamos de masa, podemos estar considerando conceptos muy diferentes. Uno de ellos es la masa gravitatoria, responsable de la atracción gravitatoria que tiene lugar entre objetos y que es mayor cuanto más próximos se encuentren. Otro es el concepto de masa inercial, que es la responsable de la resistencia de los objetos materiales a variar su estado de movimiento (eso que solemos llamar ley de la inercia). Se trata de dos aspectos de la materia diferentes (aunque la masa inercial y la masa gravitatoria de un objeto posean el mismo valor) y ambos no encajan igual de bien con la interacción con el campo de Higgs. De hecho, el bosón de Higgs no da cuenta de toda la masa.

El bosón de Higgs, la masa inercial y la masa del protón

En realidad, a poco que reflexionemos un poco más, comprenderemos que el concepto de masa generada por la interacción con el campo de Higgs se ajusta muy bien al concepto de masa inercial, es decir, la masa entendida como una resistencia  a una variación en el movimiento que aparece reflejada en la primera ley de Newton, pero no al de masa gravitatoria. El enigma del gravitón permanece sin desvelar, pero los científicos están convencidos de que su naturaleza debe ser distinta a la del campo de Higgs.

En realidad, la relación del bosón del campo de Higgs es aún más compleja porque esta ineracción sólo es suficiente para explicar una parte de la masa de las partículas complejas. Tomemos un protón. Sabemos que está compuesto por quarks y gluones que mantienen la estabilidad de la estructura. Así pues, podríamos esperar que si sumamos la masa de los quarks (explicada por la interacción de Higgs) que componen el protón deberíamos obtener la masa del protón, que se conoce desde hace décadas… ¡Otra vez, demasiado fácil! En realidad, la suma de las masas de los quarks de un protón equivale sólo a un pequeña parte de la masa total del protón.

¿Cómo es esto posible? La respuesta está (parcialmente) en la energía cinética de las partículas elementales que forman el protón. Estas partículas están en constante movimiento y la energía de este movimiento, que se produce dentro del dominio del protón, se manifiesta, cuando la observamos “desde fuera” de la partícula, como masa. En definitiva, la energía cinética de la estructura interna del protón contribuye a la propiedad que cuantificamos como masa.

¿Sorprendente? Si lo observamos con nuestras gafas de “Universo dual, energía-materia”, sí; pero si elegimos el punto de vista que propuso Albert Einstein, quien comprendió y enunció como ley la equivalencia entre estas dos magnitudes, no resulta tan extraño. A pesar de que la intuición nos sugiere esta frontera inviolable entre materia y energía, la razón nos devuelve a la realidad de que la masa (que cuantifica la materia) es una manifestación más de la energía y que el bosón de Higgs, pese a su importante contribución, es una pieza más para encajar en el colosal rompecabezas del Universo.

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