El misterioso bosón

Todos tenemos una idea intuitiva del concepto de la masa de las cosas. Por ejemplo, un elefante tiene mucha más masa que una hormiga. Pero, ¿cuál es el origen de la masa de las cosas? Una primera respuesta es simplemente que la masa de un objeto es la suma de las masas de los átomos de los que está compuesto. Un elefante es mucho más masivo que una hormiga porque contiene muchos más átomos. Pero, ¿de dónde viene la masa de los átomos? Al final la auténtica pregunta es cuál es el origen de la masa de las partículas elementales como los protones y los neutrones, constituyentes de los átomos. Buena parte de esa masa se debe a la interacción nuclear de dichas partículas. Pero otra parte y, en general, la masa del electrón y de todo el resto de partículas elementales se debe a la misteriosa partícula de Higgs. O al menos eso dice la teoría. ¿Qué es la partícula de Higgs? Para entrever su significado hay que recordar otra noción, también relativamente familiar, la de campo de fuerzas.

Nos suena cuando alguien nos habla del campo magnético creado por un imán a su alrededor. O del campo gravitatorio terrestre, que nos atrae hacia el centro de la Tierra. La teoría nos dice que aparte de estos y otros campos de fuerzas existentes en la naturaleza, existe uno muy peculiar, el campo de Higgs. Todo el espacio está relleno de este campo con un valor constante en el espacio. ¿Cuál es el efecto físico de este campo? Las partículas elementales, de las cuales están hechas todas las cosas, cuando se mueven en el espacio se ven frenadas al interactuar con este viscoso fondo formado por el campo de Higgs. Este frenado, esa inercia que sufren las partículas es su masa. A primera vista parece algo hipotético y difícil de comprobar experimentalmente. Sin embargo, este campo de Higgs, como todo objeto físico, está sujeto a las leyes del mundo microscópico, las leyes de la mecánica cuántica. Y la mecánica cuántica nos dice que si existe un campo, debe de existir asociado a una partícula elemental. En el caso del campo electromagnético las partículas asociadas son bien conocidas, son los fotones, que son los constituyentes de la luz y de la radiación electromagnética en general.

A la partícula asociada al campo de Higgs se le llama Bosón de Higgs, en honor de Peter Higgs, un físico británico que, junto con otros colegas, propuso la existencia de esta partícula en 1964. A pesar de su importancia, el Bosón de Higgs es una partícula extremadamente efímera. Una vez producida se desintegra en una billonésima de picosegundo (un picosegundo es una billonésima de segundo). Bosones de Higgs debieron de existir en abundancia, en el origen del universo, en el momento del Big-Bang, hace unos 10.000 millones de años, pero desaparecieron en su integridad (aunque no su efecto generador de la masa). Desde entonces pueden haber sido producidos esporádicamente en cataclismos estelares y posiblemente también en el CERN, en Ginebra. La razón de la dificultad de su producción es su alta masa que sabíamos hasta ahora debía de ser al menos mayor que 115 veces la masa de un protón.

El acelerador LHC (Large Hadron Collider) del CERN (Centro Europeo de Física de Partículas) es capaz de reproducir en el laboratorio algunas de las condiciones del Big-Bang 10.000 millones de años después. En un túnel subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia, se hacen circular a velocidades cercanas a la de la luz dos haces de protones en direcciones opuestas y se les hace chocar en dos zonas, donde están situados dos enormes detectores de partículas denominados ATLAS y CMS. Al chocar estos haces, el LHC es capaz de concentrar una energía equivalente a 7.000 veces la masa del protón en las zonas centrales de cada detector, más que suficiente para producir Bosones de Higgs y detectarlos.

El trabajo de muchos centenares de físicos experimentales de partículas e ingenieros, entre los que se cuentan muchos físicos de universidades (Madrid, Barcelona, Valencia, Santander, Santiago, Oviedo) y centros de investigación españoles (CIEMAT, IFIC, IFAE, IFCA), han hecho posible este éxito singular. Todo parece indicar que dichos experimentos han encontrado los primeros indicios sólidos de la existencia del Bosón de Higgs. Para confirmarlo habrá que esperar hasta finales del año que viene, en el que se espera triplicar el número de colisiones en el LHC. Dicha confirmación significa ya un gran triunfo para la física. Pero también dejaría muchas preguntas por contestar, como por ejemplo por qué la masa del Bosón de Higgs es la que es. Todos esperamos que el LHC ayude a contestar muchas de las nuevas preguntas planteadas en los años próximos.

Luis E. Ibáñez. Catedrático del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid y miembro del Instituto de Física Teórica UAM/CSIC.