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Lo tangible del invisible bosón de Higgs

La llamada “partícula de Dios” es la ficha que le faltaba al rompecabezas del modelo estándar de la física de partículas, y permite, por fin, tener la imagen completa de una teoría que nos explica el porqué de la masa y energía que nos rodea. Solo los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones dirán si es elemental o compuesta. En el segundo caso, se abrirían nuevas fronteras inimaginables para la física.

, 11.08.2012Profesor del Departamento de Física Universidad Nacional de Colombi

Después de medio siglo de búsqueda, el pasado 4 de julio los físicos del CERN encontraron una nueva partícula subatómica consistente con el bosón de Higgs. Foto: AFP

El aire es un gas cuyas moléculas se mueven erráticamente. Cuando el ala de un avión pasa a través de este, sus moléculas la golpean. Cuanto mayor sea la velocidad relativa de las moléculas respecto al ala, menor es la presión que hace el gas. La diferencia de curvaturas, inferior-superior, ocasiona una diferencia de presión que se convierte en una fuerza de sustentación que, al ser mayor que el peso del avión, lo hace volar.

De aquí se desprende el concepto de viscosidad del aire, entendido como un efecto colectivo de moléculas que se mueven, se entrelazan y producen fuerzas de fricción y de sustentación. Cuanto mayor sea la temperatura del gas, mayor será la agitación térmica del aire y mayor el golpeteo de sus moléculas sobre el ala del avión. Podemos asociar la temperatura con la capacidad que tiene el aire de originar fuerzas de sustentación.

A los bosones de Higgs los podemos pensar como el equivalente de este gas, pero en un nivel puramente cuántico. Estos se crean y se aniquilan formando pares que interactúan con las partículas ordinarias (la materia).

Y, dependiendo de la forma de la interacción, las partículas adquieren mayor o menor masa, la cual está asociada a los efectos gravitacionales e inerciales, es decir, a su capacidad de atraerse o a resistirse a experimentar aceleraciones. Podemos, entonces, hacer un símil con la viscosidad del aire y el campo cuántico asociado al Higgs, por cuanto este causa una “viscosidad” que termina dotando de masa a las partículas.

Así, los neutrinos1 interactúan débilmente con él y su masa es prácticamente nula. En cambio, el electrón2 sí interactúa con este más fuertemente y, por ende, tiene mayor masa. El fotón3 (responsable de la radiación electromagnética) no interactúa con él y su masa es nula. Es decir, la magnitud de la masa de la partícula indica qué tan fuerte es la interacción con el Higgs. Finalmente, su propia masa aparece como resultado de su interacción consigo mismo.

Curiosamente, apareció en el Universo cuando este se expandió y comenzó su proceso de enfriamiento, lo que provocó una transición de fase, similar a la transición del agua del estado líquido al estado sólido. Antes, todas las partículas tenían energía y viajaban a la velocidad de la luz. Después de la transición, interactuaron con él, adquirieron masa y dejaron de viajar a la velocidad de la luz. Además, comenzaron a producir atracción gravitacional y, con el enfriamiento del Universo y el transcurso de millones y millones de años, formaron las galaxias, las estrellas, etc.

La teoría física

El físico inglés Peter Higgs postuló la partícula que lleva su nombre en 1964. Ahora, en el colisionador LHC (el Gran Colisionador de Hadrones), se tiene evidencia de su existencia con una masa cercana a los 125 GeV (gigaelectronvoltios), similar a la de un átomo de Uranio.

En el modelo estándar de las interacciones electrodébiles, es una partícula puntual. Solo los experimentos del LHC nos indicarán si es elemental o compuesta. En el segundo caso, se abrirían nuevas fronteras inimaginables para la física. Cabe recordar que hace un siglo el átomo era considerado el constituyente fundamental de la materia, pero se descubrió que dentro de él existían más partículas elementales. Lo mismo podría ocurrir con el Higgs.

Hay varias razones que explican su importancia. El modelo estándar de las interacciones electrodébiles explica muy bien estas fuerzas a nivel cuántico y, además, ha tenido muchos aciertos predictivos. Entre ellos: el descubrimiento del quark4 charm, que se postuló para entender las corrientes neutras débiles; el del quark top, que se planteó para completar el doblete que forma con el quark bottom, necesario para que la teoría tuviera la estructura matemática correcta; y el de las partículas Z, W+ y W-, las cuales son las equivalentes al fotón, pero para la interacción débil.

En todo este concierto de predicciones teóricas y descubrimientos experimentales faltaba el Higgs, introducido en la teoría para explicar cómo las partículas adquieren masa. Nadie se esperaría que esta explicación, necesaria para que el modelo fuera satisfactorio, se quedara sin piso. Una vez descubierto, se da firmeza a la teoría y queda expuesto el origen de la masa y la gravitación.

El Universo oscuro

Pero el Higgs se puede relacionar con otro fenómeno muy relevante de la cosmología. De las observaciones de la dinámica estelar, en particular de estrellas que giran alrededor de las galaxias, se ha concluido que algunas se mueven mucho más rápido de lo que predice la teoría de la gravitación de Newton.

Asimismo, se han observado galaxias que se acercan por efecto gravitacional, pero, al tener en cuenta la masa total de ellas, las predicciones tampoco concuerdan con la teoría gravitacional. Al parecer, debe haber mucha más materia en las galaxias para poder explicar estas velocidades.

A dicha materia se le llama materia oscura porque no se puede ver, pero produce un fenómeno gravitacional. Es decir, es materia con masa, pero sin carga electromagnética.

También existe un fenómeno conocido como lente gravitacional, que hace que los rayos de luz de galaxias muy lejanas se curven. Y esto solo se puede explicar con la existencia de esta clase materia.

Pues bien, la única partícula que puede ser candidata a materia oscura sería una que tuviera características similares al bosón de Higgs. Eso abriría un nuevo campo de investigación en la física relacionado con la cosmología. Hasta la fecha, no se había observado un bosón o una partícula con las características del Higgs, campo escalar de espín cero y carga eléctrica nula.

Pero, una vez descubierto el Higgs, se abre la posibilidad de más “higgses” en la naturaleza que tengan las características para ser candidatos a materia oscura. Entonces, estamos en la antesala para entender el origen del Universo y cómo funciona. Apenas sería el comienzo de una nueva era de investigación.

1 Partícula subatómica de masa casi nula.
2 Partícula subatómica que rodea el núcleo del átomo.
3 Partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética (rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta, luz visible).
4 Es uno de los constituyentes fundamentales de la materia. Con este se forman partículas como los protones o los neutrones.

(Por: Roberto Martínez,
)
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