La partícula de Dios

Santander estudia en un encuentro el bosón de Higgs

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Antonio RUIZ DE ELVIRA | Publicado el 16/09/2011

¿Mito o realidad? El bosón de Higgs, conocido como “la partícula de Dios”, será el protagonista del encuentro internacional (Higgs Days) que se celebrará desde el lune, 19 en Santander organizado por el Instituto de Física de Cantabria (IFCA), centro mixto de la Universidad de Cantabria (UC) y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Antonio Ruiz de Elvira, catedrático de la Universidad de Alcalá, analiza su lugar en la física actual.

Viaje usted a Egipto y se maravillará ante las pirámides. ¿Para qué se hicieron? La mejor respuesta es keynesiana: para tener empleada a una enorme masa laboral en un país que no sabía qué hacer con su riqueza. En EEUU y en Europa, tras la II Guerra Mundial, buscar excitaciones subnucleares se convirtió en el esquema moderno de tirar el dinero.

Pero como las pirámides, las excitaciones subnucleares no han servido de nada. Tras sesenta años de hurgar en lo más pequeño del universo, los EEUU han anunciado el cierre del acelerador Tevatron a finales de este mes, cuya misión era buscar el “bosón de Higgs”. Se cierra así una etapa del conocimiento humano: pinchar a la naturaleza mediante golpes gigantescos para ver cómo responde al ataque.

¿Qué es el bosón de Higgs?
Realmente, la palabra deriva de un apellido, de Bose, de un científico que escribió a Einstein corrigiendo la estadística clásica cuando los casos a contar (por ejemplo, caras en tiradas simultáneas de dos monedas) fueran indistinguibles. Los bosones son partículas que no tienen spin, es decir que avanzan sin movimiento en espiral. Los fermiones, de Fermi, otro físico italiano de la misma época que Bose, avanzan como tornillos, realizando espirales.

El universo son partículas y las interacciones entre ellas. Estamos formados por átomos combinados en moléculas. Éstas, a su vez, lo están en largas cadenas plegadas. Utilizamos cobre, hierro, aluminio, que son conjuntos de quadrillones y quintillones de átomos enlazados entre sí. El nombre -átomo- es engañoso. En griego quiere decir sin partes', pero sabemos perfectamente que está formado por dos partículas estables que jamás se cambian en otras: el electrón y el protón. Los protones se repelen con una fuerza enorme. Para mantener juntos los protones de todos los átomos -menos del hidrógeno- se necesita un pegamento. Éste es el neutrón, otra partícula, inestable, que es un protón con un electrón pegado a él, y además con un neutrino. Protón y neutrón anulan su carga (el neutrón es, cómo no, neutro). Cuando está aislado, el neutrón se desintegra en unos 15 minutos.

Sabemos que los protones atraen a los electrones. Pero, ¿cómo entendemos la atracción entre protones y neutrones sin carga eléctrica?

Una secuencia de órdenes
En vez del sencillo concepto de campo, muchos físicos decidieron que esas interacciones tenían que ocurrir como si hubiese una compañía de mensajería, unos “mensajeros” (ángeles =mensajero en griego) dentro de los núcleos: la fuerza que une a un protón con un neutrón consistiría en que el protón manda un mensajero (un mesón) hacia el neutrón y cuando llega al neutrón éste recibe la “orden” de unirse al protón. La fuerza sería así una secuencia casi continua de “órdenes”. Si aceptamos el esquema de mensajeros, ¿de dónde sale la característica esencial de las partículas, es decir, su resistencia a la aceleración? Esa resistencia la llamamos masa: si queremos mover una bola de ping-pong no hay problema, pero si pretendemos mover un banco de hierro del parque, no podemos. Decimos que el banco tiene mayor masa que la bola.

¿De dónde sale la masa? Aquí aparece la teoría del bosón de Higgs. La idea es explicar la masa dando un paso atrás. Supongamos que el espacio (que carece de significado sin partículas con masa) fuera esencialmente un conjunto de campos (para pensar en campos, pensemos en la superficie del mar, con sus olas como oscilaciones de ese campo). ¿De donde salen esos campos? No se sabe. Existen. ¿De dónde sale la masa, es decir, las partículas? Suponemos que de la interacción entre uno de esos posibles campos -el campo de Higgs- con otros. Por ejemplo, con los campos electromagnéticos y con los de una de las fuerzas nucleares, la débil. En un metro cúbico del aire que respiramos hay unos 54 quadrillones de átomos. Cada uno de ellos tiene masa porque, al moverse, genera un aumento del valor del campo de Higgs (cuya única explicación es que genera la masa) en el punto en donde está, como una ola en un punto de la superficie del mar. Ya tenemos masa en el universo.

Como los campos se consideran conjuntos de ángeles (mensajeros), el campo de Higgs debe ser un conjunto de bosones de Higgs, mensajeros que aparecen y desaparecen en tiempos del orden de quadrillonésimas de segundo para llevar las interacciones de unas partículas a otras y darles masa. ¿Tendrían masa las partículas en los intervalos en los que no reciben a los bosones de Higgs? ¿Podemos “ver”a los bosones de Higgs? Un mecanismo posible es generar altísimas excitaciones de partículas que liberen dos mensajeros de la interacción débil (W y Z) que a su vez, acoplándose, produzcan un bosón de Higgs H.

Para eso es preciso lanzar protones unos contra otros, para que choquen, y en el choque se exciten vibraciones tan intensas que se generen dos mensajeros (W o Z) que se acoplen en el H antes de decaer. Y puesto que los mensajeros W y Z exigen una alta energía, se precisa que los protones vayan a muy alta velocidad. Para eso hay que darles empujones una y otra vez en un anillo grande, para que puedan dar muchas vueltas y recibir muchos empujones. Esto es lo que hace el LHC del CERN de Ginebra. Si el H existe, se encontrarán indicios de su existencia, seguro, en el LHC. Pero al no haber otro laboratorio en el mundo que pueda duplicar el experimento, la base esencial de la ciencia, que es la comprobación de resultados por otros laboratorios independientes, quedará en entredicho. Así, si se descubre el bosón de Higgs, ¿aceptaremos su descubrimiento? Porque su existencia es, en cualquier caso, dudosa, pues la gravedad (la masa) no se parece en nada a las otras tres fuerzas. La unificación de las tres fuerzas en un supermodelo de las que puedan derivar ha precisado de un corsé brutal, forzado por una especie de ansia religiosa de monoteísmo, la insistencia en entes únicos universales.

La existencia de Higgs
No está nada claro que la interacción gravitatoria pueda entrar en un corsé aún más rígido para parecerse a las otras tres fuerzas. Supongamos que encontramos señales que nos indican la existencia del H. Sabremos entonces que un cierto “campo” le da la masa a partículas sin ella (si es que partículas sin masa tienen algún significado). Tendremos entonces la idea de que las cuatro interacciones, Eléctrica y Gravitatoria, de muy largo alcance, y Fuerte y Débil, de alcance muy reducido, funcionan con mensajeros que salen de unas partículas y llegan a otras. Habremos encontrado que las cuatro fuerzas que controlan el universo son esencialmente mensajeros (ángeles) que llevan la interacción de unas partículas a otras. Si no encontramos señales de que el bosón de Higgs exista, entonces podremos aceptar lo que yo creo que es la realidad: que los campos de fuerza no necesitan de mensajeros, que las interacciones derivan de la existencia misma de las partículas, que, por definición, las partículas tienen masa, que los campos tienen fuentes que son las propias partículas y que podemos vivir felices con cuatro dioses en vez de volvernos locos y gastar miles de millones de euros en tratar de reconciliar la naturaleza con una única “fuerza” o un “único” dios. El cierre del Tevatrón certifica que hoy día el interés de la física se decanta por otros temas.

Sabemos que hay cuatro fuerzas. La pregunta que nos hacemos no es ya ¿qué pasa en los dominios sub-protónicos? sino una mucho más interesante: con esas cuatro fuerzas, ¿qué nuevos fenómenos podemos construir y descubrir? La idea es pasar del análisis a la síntesis, de la destrucción a la creación, de partir los átomos a ensamblarlos. Esto representa un cambio de perspectiva que nos da una visión inmensamente más amplia del universo que las cuatro interacciones o los 16 quarks del modelo estándar. Es esta visión la que ha hecho perder el interés de las agencias estadounidenses por el Tevatrón con el fin de investigar, por ejemplo, las leyes de los sistemas complejos formados por x-llones de protones y electrones, para investigar, no lo elemental sino lo complejo. En Europa, que somos antiguos, vamos un poco más retrasados.

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