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El Higgs: la partícula de Dios

Escrito por Roberto Martínez
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Roberto_Martinez_Razon_publicaApasionante incursión en el mundo de la física, sacudido por un experimento sensacional: por vez primera se atrapó la pieza que faltaba para explicar el origen de la masa y de la gravitación, además de otros misterios fascinantes.

Roberto Martínez

Parecido al aire, pero a escala subatómica

Cuando el ala de un avión pasa a través del aire, sus moléculas golpean el ala. La diferencia entre las curvaturas de la cara superior y de la cara inferior del ala produce una diferencia de presión, que se convierte en una fuerza de sustentación: por ser esta fuerza mayor que el peso del avión permite que éste pueda volar.

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En todo este concierto de predicciones teóricas y descubrimientos experimentales faltaba el Higgs.

Además de la fuerza de sustentación, también existe una fuerza de fricción que se opone a que el avión avance, a menos que los motores generen la potencia necesaria para vencerla: por eso el avión puede moverse y volar.

El Higgs, la mal llamada por los medios “partícula de Dios”, puede imaginarse como el equivalente de este gas, pero a escala subatómica, donde se produce un efecto puramente cuántico: se crean y se aniquilan fuerzas, y se forman partículas que interactúan con las partículas ordinarias –la materia– generando la masa.

Dependiendo de la forma de interacción, las partículas adquieren mayor o menor masa, la cual se asocia con efectos gravitacionales y con efectos inerciales, es decir, con la capacidad de atraerse o resistirse a experimentar aceleraciones provocadas por fuerzas: 

  • Los neutrinos interactúan débilmente con el Higgs y su masa es prácticamente nula.
  • En cambio, el electrón interactúa mas fuertemente con el Higgs y su masa es mayor.
  • El fotón no interactúa con el Higgs y su masa es nula.

Es decir, qué tan grande sea la masa de la partícula nos indica que tan fuerte es el efecto de interacción con el Higgs. Los quarks interactúan con el Higgs y adquieren masa, a su vez los neutrones y protones están formados por quarks y por tanto tienen masa, los nucleones masivos dotan de masa a los átomos, y así el Universo se hace masivo, las estrellas, los planetas, las plantas, los animales, etcétera.

El Higgs también adquiere masa, porque interactúa consigo mismo, con una masa cercana a 125 GeV (gigaelectrónvoltios), es decir, una masa similar a la de un átomo de uranio, según se midió recientemente en el colisionador de Hadrones LHC y se reportó el 4 de julio de 2012.

Curiosamente el Higgs aparece en el universo cuando éste se expande y comienza su proceso de enfriamiento, generándose una transición de fase, similar a la transición del agua del estado liquido al estado sólido, aparecen los cristales. En dicha transición de fase, se genera una interacción entre campos, la cual produce el Higgs con cierta masa: 

  • Antes de la transición, todas las partículas tenían energía y viajaban a la velocidad de la luz.
  • Después de la transición, las partículas interactúan con el Higgs, adquieren masa y dejan de viajar a la velocidad de la luz.

Además, las nuevas partículas masivas comienzan a producir atracción gravitacional. Con el enfriamiento del universo y la atracción gravitacional tras millones y millones de años, se formaron las galaxias, las estrellas.

¿Por qué su descubrimiento es tan importante?

Hay varias razones para entender la importancia del descubrimiento del Higgs. El modelo estándar de las interacciones electro–débiles explica muy bien estas fuerzas a nivel cuántico y además ha tenido muchos aciertos en sus predicciones.

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Hay más materia en el Universo que la que observamos contando todas las galaxias, cúmulos, estrellas, etcétera.

El modelo dice que existen tres fuerzas, la electromagnética, la débil y la nuclear. La interacción gravitacional no se considera en este modelo. El universo está formado por seis clases de quarks llamados updowncharmstrangetop y bottom y por seis leptones llamados electrónmuon y tau; a cada uno se asocia un neutrino.

Con los dos quarks up y down se forman los protones y neutrones, los cuales a su vez forman los núcleos atómicos. La fuerza nuclear se encarga de unir los quarks y de mantener la estructura del núcleo atómico; la interacción electromagnética de ligar los electrones con el núcleo para formar los átomos y la interacción débil permiten transmutar unos núcleos en otra clase de núcleos. Se necesita para poder explicar la desintegración del uranio y de otros átomos más pesados.

Los aciertos del modelo estándar pueden resumirse así:

a. Primero que todo, el descubrimiento de los quarks y de que los neutrones y protones no son puntuales, tienen estructura interna y son divisibles, en el sentido de Demócrito;

b. Después, el descubrimiento del quark charm, el cual se postuló para entender las corrientes neutras débiles.

c. El descubrimiento del quark top, postulado para completar el doblete de quarks entre el quark bottom y el quark top, el cual era necesario para que la teoría tuviera la estructura matemática correcta.

d. El descubrimiento de las partículas Z, W^+ y W^- las cuales son las equivalentes al fotón, pero para la interacción débil.

e. Recientemente, la medición de la violación de la simetría CP en sistema de mesones formados por un quark bottom y otro con un quark down o un quark extraño.

f. El descubrimiento de que los neutrinos tienen una masa muy pequeña, pero no igual a cero.

En todo este concierto de predicciones teóricas y descubrimientos experimentales faltaba el Higgs, que fue necesario introducir en la teoría para explicar cómo adquieren masa las partículas. Sin el Higgs, la teoría —capaz de predecir muchos fenómenos que ya fueron corroborados— se quedaba sin piso, pues carecía del mecanismo necesario para dar una explicación satisfactoria al modelo estándar. Descubierto el Higgs, se da piso a la teoría y queda científicamente explicado el origen de la masa y de la gravitación.

Materia oscura, lente gravitacional…hasta energía oscura

Pero el Higgs se puede relacionar con otro fenómeno muy importante que proviene de la cosmología: de las observaciones de la dinámica estelar, en particular de estrellas que giran alrededor de las galaxias, se sabe que hay estrellas que se mueven mucho más rápido de lo que permite la predicción basada en la teoría de la gravitación de Newton.

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El físico británico Peter Ware Higgs.

Al parecer, debería haber mucha más materia en las galaxias para poder entender estas velocidades. A dicha materia se le llama materia oscura, porque no se puede ver, pero está produciendo un fenómeno gravitacional, es decir, materia con masa, pero sin carga electromagnética.

También se han observado galaxias acercándose por efecto gravitacional, pero al tener en cuenta la masa total de ellas, las predicciones no concuerdan con la teoría de gravitación de Newton. De nuevo se tiene que postular la existencia de materia oscura en el Universo.

También existe un fenómeno conocido como lente gravitacional, que hace que los rayos de luz que provienen de galaxias muy lejanas se curven y esto solo se puede explicar mediante la existencia de materia oscura.

Se tiene una estimación de la materia contenida en las galaxias: el 5 por ciento de la materia total del Universo, es decir, por ahora somos capaces de dar cuenta apenas del 5 por ciento de la materia por observación directa del Universo. Por otra parte, se estima que otro 20 por ciento es de materia oscura. Es decir, hay más materia en el Universo que la que observamos contando todas las galaxias, cúmulos, estrellas, etcétera.

Por otra parte, se dice que el Universo tiene más energía de la que habíamos pensado. A partir de las observaciones recientes del satélite Hubble, se han visto estrellas muchos más lejanas y distancias nunca antes imaginadas.

Dichas estrellas se alejan tan rápida y aceleradamente, que aplicando las teorías de la gravitación de Einstein, para poder explicar este fenómeno necesitaríamos un 75 por ciento más de energía. A ésta se le llama energía oscura.

La única partícula que podría ser candidata a materia oscura sería una partícula que tuviera características similares a las del bosón de Higgs, descubierto recientemente en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por su sigla en francés). Por esto se abriría un nuevo campo de investigación en la física relacionado con la cosmología.

Hasta la fecha no se había observado un boson o partícula escalar con las características de un Higgs, campo escalar de espín cero y carga eléctrica nula. Una vez que se ha descubierto el Higgs, se abre la posibilidad de más Higgses en la naturaleza que tengan las características para ser candidatos a materia oscura…

* Profesor e investigador del Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia.

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