El bosón de Higgs, Lady Gaga y el premio Nobel

La semana pasada supimos los nombres de los ganadores del premio Nobel de Física 2013, otorgado a Francois Englert y Peter Higgs (nombre que usted probablemente ha escuchado) por su rol en el descubrimiento del mecanismo que le da masa a algunas partículas subatómicas. En la columna de hoy hablaremos sobre la relevancia de este descubrimiento, y sobre la difusión que ha tenido en los medios.

1.- ¿Porque el descubrimiento del Higgs es importante?.

Para entender la importancia de este descubrimiento, necesitamos un poco de contexto. En el universo existen cuatro fuerzas o interacciones fundamentales, estas son:

-Interacción Fuerte, que permite que los núcleos atómicos sean estables o sea, que nosotros y todas las cosas que vemos podamos existir.

-Interacción Electromagnética, la encargada de que dos cargas eléctricas de distinto signo se atraen mientras que cargas de igual signo se repelen. Esta es la interacción con la que estamos más familiarizados. Está presente en todos nuestros aparatos electrónicos, y más importantemente, controla las diferentes reacciones químicas, que dan lugar a los elementos que conocemos.

-Interacción Débil, es la responsable de ciertas reacciones nucleares que mantienen al sol entregándonos su energía, y consecuentemente permitiendo el desarrollo de vida en la tierra.

La cuarta interacción presente en la naturaleza es la atracción gravitacional. La búsqueda de una descripción de esta interacción en conjunto con las tres previas ha servido de motor para parte de la física en las últimas décadas.

Nuestro entendimiento actual sobre las leyes que gobiernan los procesos subatómicos se encapsulan en lo que los físicos llaman el modelo estándar. Este modelo explica las tres primeras interacciones (o fuerzas) fundamentales, dejando sin explicar la fuerza de gravedad.

En el modelo estándar existen dos tipos de partículas, partículas de materia (por ejemplo electrones) y mediadores de fuerza (fotones o cuantos de luz, por ejemplo), que interactúan según leyes dictadas por simetrías. Las simetrías son ingredientes fundamentales en la construcción de modelos exitosos para describir la naturaleza en estas distancias tan pequeñas (hablaremos más sobre simetrías en alguna columna próxima).

Un gran problema es que las simetrías del modelo estándar no permiten que ciertas partículas (los mediadores de la fuerza débil para los entusiastas) tengan masa. Esto es un GRAN (SÍ! con mayúsculas) problema, porque los experimentos revelan que estos mediadores si tienen masa.

Al final del día, lo que queremos es describir la naturaleza, entonces, ¿qué hacer?, ¿dejamos de lado las simetrías?, que nos han guiado en la construcción de modelos, o ¿dejamos de lado el modelo estándar? que ha sido exitoso en la descripción de un sin fin de otros procesos.

La respuesta a estas preguntas vino de la mano de los recientemente galardonados físicos teóricos, Prof Englert y Prof. Higgs. Ellos (junto a varios otros teóricos no galardonados) propusieron un mecanismo para que estas partículas mediadoras adquirieran masa, sin romper las simetrías del modelo original.

En términos simples propusieron lo siguiente. Supongamos que existe una sustancia que permea todo el universo. Esta sustancia está en su estado de mínima energía (como tú, como yo, el universo a un nivel fundamental siempre quiere mantenerse en su mínima energía). Este estado de mínima energía sin embargo, no posee las simetrías originales del modelo estándar.

Podemos ejemplificar esta idea pensando en lo siguiente. Imaginemos que queremos balancear un lápiz sobre su punta. En principio, una persona muy hábil y con mucha paciencia podría lograr balancear el lápiz sobre su punta. El estado de el lápiz es de mínima energía, pero es inestable, cualquier pequeño movimiento lo hará caer. El lapiz balanceándose es un estado de máxima simetría, podemos mirar desde cualquier posición sobre la mesa donde se balancea el lápiz y veremos lo mismo. Cualquier pequeña perturbación hará caer al lapiz, y este apuntará en una dirección particular, rompiendo la simetría original. A este proceso lo llamamos un rompimiento espontáneo de simetría. Este mecanismo produce que los mediadores de la fuerza débil adquieran masa ¿Porque?. Una analogía ayudará a entender mejor este proceso.

Fig 1. a.- El Señor Lápiz haciendo equilibrio posee más simetría (cualquier rotación en la mesa) que en b.- donde el señor Lápiz se cae y apunta en una dirección particular sobre la mesa.

Imagine que usted camina por una sala llena de admiradores de Lady Gaga. Usted pasa por la sala, siendo ignorado por la mayoría de los asistentes, lo que significa que no tiene dificultad en llegar de un extremo a otro de la sala. Ahora imagine que la misma Lady Gaga entra en la sala. Un gran tumulto se produce a su alrededor, y su paso de un extremo a otro de la sala se ve dificultado por toda la gente que quiere sacarle fotos o pedirle un autógrafo. Un observador diría que mientras la velocidad de usted fue bastante alta, la velocidad de lady Gaga fue mucho menor, debido a su interacción con el medio. Para este observador, la masa de usted lector es menor que la masa de Lady Gaga, ya que a ella le costaba moverse por la sala. Ahora si cambiamos la sala llena de fanáticos de Lady Gaga por el campo de Higgs, a usted por un fotón, y a Lady Gaga por un mediador de la fuerza débil, obtenemos el mecanismo por el cual éstos adquieren masa, y explicamos porque otras partículas permanecen sin masa.

Fig. 1.- En una habitación llena de fanáticos de Lady Gaga a) Usted, b) Lady Gaga.

2.-¿Partícula de Dios?

Hasta ahora hemos hablado de el campo de Higgs y como esa sustancia que permea el espacio (recuerde, como los fans de Lady Gaga), pero ¿qué tiene que ver esto con el bosón de Higgs?

Esta sustancia que permea el universo entero, el campo de Higgs, puede perturbarse y crear pequeñas olas, que pueden ser detectadas. Estas pequeñas perturbaciones del campo de Higgs corresponden a las partículas de Higgs. Quizás usted también ha escuchado el nombre BOSÓN de Higgs. Crear estas perturbaciones no es nada fácil. Con este objetivo en mente (entre muchos otros), una gigantesca colaboración de científicos, ingenieros y técnicos plantearon la posibilidad de crear una máquina capaz de perturbar este campo de Higgs, y probar o refutar su existencia. En realidad esta máquina, conocida como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés), no solo busca entender el campo de Higgs, es mucho más ambicioso que eso. La idea es explorar los mismos límites del tiempo y el espacio, mirando tan cerca como es posible con nuestra tecnología actual el instante en que se produjo el Big Bang.

En los medios de comunicación probablemente usted escuchó hablar sobre el descubrimiento de la “partícula de Dios”. ¿Está el bosón de Higgs relacionado con Dios?. Si usted es creyente, entonces el Higgs está relacionado con Dios de la misma forma que una planta, el sol o las estrellas lo están con (inserte aqui su Deidad preferida). Si usted no es creyente, la respuesta es sencilla. NO.

Proyectos de la envergadura del LHC, donde miles de millones de dólares deben ser invertidos, deben de alguna manera justificarse frente a los votantes de los países involucrados. La búsqueda de la verdad y del entendimiento no es suficiente para la mayoría, por lo que los medios (a veces con complicidad de los científicos) crean frases pegajosas y llamativas para el público general. Es interesante analizar el caso de el proyecto anterior al LHC, un proyecto llamado Super Colisionador SuperConductor (SSC). Este proyecto se generó en Estados Unidos, y apuntaba a crear una máquina 3 veces más poderosa que el actual LHC. En medio de las negociaciones por un aumento en el presupuesto, y luego de ya haber gastado dos mil millones de dólares en la construcción del túnel que albergaría el proyecto, un político en el senado estadounidense le preguntó a los científicos responsables del proyecto: “¿Vamos a poder encontrar a Dios con esta máquina?, si es así, yo doy mi voto a favor”. Los científicos, impresionados por la pregunta, no pudieron dar una respuesta convincente y el proyecto fue cancelado unas semanas después. Luego de este incidente, el nombre de Partícula de Dios, para el bosón de Higgs, empezó a ser utilizado en algunos círculos. El uso de este tipo de nombres, no constituye ningún problema para los especialistas, pero su uso entre el público general constituye un riesgo, el riesgo de que el público espere, exija y saque conclusiones que están fuera del alcance científico.