El Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) de Ginebra ha vuelto a poner en marcha estos días el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), con el que hace un par de años se realizó uno de los descubrimientos más importantes en el campo de la física de partículas en las últimas décadas: el bosón de Higgs. Explicamos qué es la llamada ‘partícula de Dios’ y por qué su detección fue tan importante.


La ‘partícula de Dios’ se manifestó por primera vez entre los hombres el 4 de julio de 2012. Más conocida como Bosón de Higgs, un grupo de físicos propuso su existencia en 1964 pero no se confirmó hasta la primavera de 2013 en el CERN.

Los científicos del LHC, un acelerador de partículas del CERN, proclamaron su descubrimiento después de más de medio siglo de búsqueda y el hallazgo conmocionó al mundo. Sin embargo, más allá de los círculos científicos, muchos no iniciados ignoran qué es este bosón y por qué es relevante su existencia.

Entonces, ¿qué es el bosón de Higgs?

En esencia y de forma burda, se trata de una partícula elemental que permite explicar la diferencia entre las masas de las distintas partículas que componen la naturaleza. Para poder ahondar en este fenómeno y llegar a comprenderlo, es necesario refrescar previamente una serie de conceptos.

En primer lugar, la materia está compuesta por átomos. Estos átomos, a su vez, están formados por un núcleo central, con neutrones y protones, y a su alrededor giran los electrones.

Sin embargo, estos protones y neutrones se componen de partículas todavía más pequeñas, llamadas quarks. Se trata de partículas elementales, igual que los electrones, que son indivisibles.

¿Cuál es el problema?

En la década de los sesenta, los científicos trataban de comprender cómo funcionaban los protones y los neutrones por dentro, y las teorías no terminaban de encajar.

Los físicos no entendían a qué se debían las enormes diferencias de masa entre las distintas partículas elementales. Por ejemplo, el quark ‘cima’ (uno de los seis tipos que existen) es mucho más pesado que un electrón. Concretamente, su masa es 350.000 veces mayor. Esta es la misma diferencia de peso que hay entre una sardina y una ballena.

Las preguntas quedaban abiertas y eran muy profundas: ¿Qué confiere la masa a las partículas? ¿Qué es realmente la masa? ¿Por qué existen estas diferencias?

cern

Imagen de una sección del túnel del Gran Colisionador de Hadrones (CERN)

Para dar respuesta a todas estas cuestiones, en 1964 el físico británico Peter Higgs propuso, junto a otros colegas, una solución. Presentaron una teoría que aseguraba que todo el espacio está relleno de un campo que interacciona con las partículas elementales y es esto lo que les confiere masa.

Se trata del ‘campo de Higgs’, que permea todo el universo.

Como peces en el agua

Para comprender mejor su funcionamiento, es posible establecer una sencilla analogía. Las partículas elementales están inmersas en el campo de Higgs como los peces en el agua. Una sardina en el mar, al ser pequeña, interacciona muy poco con el medio y puede moverse rápidamente. Por el contrario, una ballena, con un tamaño mucho mayor, interacciona con más agua y se desplazará más despacio.

Al trasladarlo al caso subatómico, la idea es que cuanto mayor es la interacción de una partícula con el campo de Higgs, mayor es su masa. Se podría decir que este campo “frena” más a las partículas cuanto más pesadas son, igual que ocurre con el agua y los peces.

Así, un electrón interacciona poco con el campo de Higgs, por lo que se desplaza fácilmente a su través. Dicho de otra forma, el campo de Higgs hace que el electrón tenga una masa mínima (sería el caso de la sardina).

Por su parte, el quark ‘cima’ presenta una interacción muy fuerte con el campo de Higgs, por lo que se desplaza lentamente. O lo que es lo mismo, es muy pesado (como la ballena).

Según esta teoría, la masa no sería una propiedad intrínseca de las partículas sino el resultado de una interacción con el campo de Higgs.

¿Dónde aparece el bosón de Higgs?

De la misma manera que el agua está compuesta por moléculas de H2O, el campo de Higgs está formado por un incontable número de bosones de Higgs.

Para demostrar que esta teoría propuesta en 1964 era cierta, era necesario encontrar estos bosones. Para ello, se construyeron los grandes aceleradores de partículas.

gammagamma_run194108_evt564224000_ispy_3d

Evento candidato de Higgs a partir de colisiones entre protones (CMR | CERN)

¿Por qué resultó tan complicado observarlo?

Por dos motivos fundamentales. En primer lugar, para generar un bosón de Higgs se necesitan intensidades de energía muy elevadas, similares a las del Big Bang. Para reproducir estas condiciones, fue necesario construir grandes aceleradores de partículas como el LHC del CERN, donde finalmente fue detectado.

En segundo lugar, una vez generado el bosón de Higgs, se desintegra muy rápidamente y desaparece antes de que pueda ser observado. De hecho, lo que se detecta en los experimentos no es el bosón de Higgs, sino los residuos que deja al descomponerse.

¿Qué hicieron los físicos en el LHC?

De manera muy simplificada, en este acelerador se hizo colisionar de frente haces de protones a velocidades elevadísimas para generar instantes de gran energía y observar qué partículas aparecían. Durante fracciones de segundo, el LHC conseguía reproducir las condiciones del Big Bang y se formaban nuevas partículas subatómicas, entre ellas el bosón de Higgs.

Hasta hace poco, los aceleradores no eran capaces de reproducir estas condiciones y conseguir así que los protones chocasen a velocidades suficientemente altas para producir el bosón de Higgs. Por ese motivo, no pudo ser detectado definitivamente hasta hace un par de años.

¿De dónde viene el término ‘partícula de Dios’?

El Premio Nobel de Física Leon Lederman escribió en la década de los noventa un libro en el que se refería al bosón de Higgs como “the goddamn particle”, esto es, “la maldita partícula”, por lo difícil que era detectarla.

En un alarde de originalidad, el editor del texto decidió sustituir el nombre por “the God particle”, es decir, “la partícula de Dios”. Desde entonces, el bosón de Higgs quedó rebautizado.

Sin embargo, algunos investigadores prefieren el apodo de “la partícula botella de champagne”. Este término hace referencia a la anécdota que relata que el ministro de Ciencia británico William Waldegrave ofreció este obsequio a quien fuera capaz de explicarle qué era el bosón de Higgs.

¿Y ahora qué?

El descubrimiento del bosón de Higgs supuso todo un acontecimiento en la comunidad científica porque constituye una victoria del Modelo Estándar de la Física, esto es, la teoría que engloba todos los conocimientos sobre el mundo subatómico.

Este modelo predice qué partículas forman la materia y qué fuerzas interactúan entre ellas. Asimismo, preveía la existencia del bosón de Higgs y su confirmación respalda el modelo y afianza las ideas actuales. Si este hallazgo no se hubiese producido, los físicos habrían tenido que asumir que algunos de estos planteamientos eran erróneos y plantear formulaciones alternativas.

Sin embargo, el Modelo Estándar no llega a ser una teoría completa, ya que no incluye la gravedad, que es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Tampoco explica qué son la materia y la energía oscuras. Muchos científicos están convencidos de que la confirmación de la existencia del bosón de Higgs permitirá avanzar en teorías como la supersimetría o la unificación de las fuerzas de la naturaleza.

A partir de ahora, las investigaciones deberán continuar en esta línea para desentrañar los secretos de la naturaleza.


ENLACES DE INTERÉS:

Europa se prepara para el segundo viaje del Colisionador de Hadrones

Rumbo a ‘terra incognita’: el LHC reinicia su singladura

Major work to ready the LHC experiments for Run 2