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El conocimiento científico crece gracias a la labor de miles de personas que se esfuerzan, hasta el agotamiento, por encontrar respuestas a los enigmas que plantea la Naturaleza. En cada programa un científico conversa con Ángel Rodríguez Lozano y abre para nosotros las puertas de un campo del conocimiento.

Partícula maldita, partícula divina. Hablamos con Germán Fernández

Bosón de Higgs - Hablando con Científicos - Cienciaes.com

(Texto de Germán Fernández)

El pasado mes de julio el Laboratorio Europeo de Fïsica de Partículas (CERN) anunció el descubrimiento de una nueva partícula que podría ser el bosón de Higgs, buscado desde hace décadas. La partícula se ha detectado en los experimentos ATLAS y CMS del acelerador LHC, un anillo subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia en el que se hacen chocar haces de protones que giran en sentidos opuestos. La enorme energía que adquieren estos protones permite, de acuerdo con la equivalencia entre masa y energía propuesta por Einstein (E = mc2), la creación de nuevas partículas masivas como esa recién descubierta, que tiene una masa que equivale a 134 veces la del protón, una masa superior a la de muchos átomos, y comparable por ejemplo a la de un átomo de bario. La confianza estadística del descubrimiento es del 99,99994%, hay menos de una probabilidad entre un millón de que lo detectado sea una fluctuación debida al azar.

El bosón de Higgs es un elemento fundamental para la unificación de las fuerzas de la naturaleza, un objetivo que los físicos persiguen desde hace décadas. Conocemos cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza. Dos de ellas, la electromagnética y la gravedad, son bien conocidas. Las otras dos son la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos los núcleos atómicos, y la fuerza nuclear débil, responsable de la radiactividad. Los físicos buscan la simplicidad, y una fuerza es más simple que cuatro. Por eso, tratan de unificar las fuerzas, encontrar teorías que sean capaces de explicar esas fuerzas como manifestaciones diferentes de una sola fuerza fundamental. Es lo que se llama la Gran Unificación, que aún no se ha conseguido, principalmente porque la gravedad se resiste a mezclarse con las demás.

Todo empezó en el siglo XIX, antes incluso de que se desarrollara la física cuántica. En aquel tiempo, la electricidad y el magnetismo se consideraban fenómenos diferentes. Pero con la formulación de las ecuaciones de Maxwell se consiguió unificar la electricidad y el magnetismo en una sola fuerza, la electromagnética. Con sólo cuatro ecuaciones. Esas cuatro ecuaciones predecían además la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban a la velocidad de la luz, con lo que la nueva teoría abarcaba también la óptica. Gracias a esta unificación, además, se descubrieron las ondas de radio.

Después vino el descubrimiento de la radiactividad y el mundo cuántico. Y los físicos trataron de continuar por el camino abierto por Maxwell. La primera unificación que se consiguió fue la del electromagnetismo con la fuerza nuclear débil, en la llamada fuerza electrodébil. Sheldon Glashow planteó las ecuaciones en 1960; en 1967 Steven Weinberg y Abdus Salam incorporaron el mecanismo de Higgs, que era necesario para explicar por qué las fuerzas electromagnéticas y las fuerzas nucleares débiles son tan diferentes. La fuerza electrodébil unificada tiene cuatro componentes, tres correspondientes a la fuerza débil y una que corresponde a la electromagnética. Sin el mecanismo de Higgs, todas esas componentes son iguales, de la misma intensidad y de alcance infinito. Pero no es eso lo que observamos. En la naturaleza, las interacciones electromagnéticas tienen un alcance infinito, dos cargas eléctricas o dos imanes se atraerán o se repelerán sin importar lo lejos que estén uno de otro. La interacción nuclear débil, sin embargo, tiene un alcance muy corto, como una milésima del diámetro de un protón, y, como su nombre indica, es muy débil. ¿Por qué son tan diferentes? Es lo que en física se llama ruptura de la simetría, y se puede explicar con el mecanismo de Higgs. Aunque no fue sólo Higgs el que lo desarrolló. Peter Higgs lo llama “mecanismo de Anderson, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, Higgs, Kibble y ‘t Hooft”.

El mecanismo de Higgs se comprende mejor desde el punto de vista de los campos. En física, un campo representa la distribución espacial de una magnitud física que muestra cierta variación (o no) en una región del espacio. Las ondas se pueden entender como alteraciones del campo. Y las partículas, según la física cuántica, son también ondas. Esta dualidad está presente en el mundo de lo infinitamente pequeño.

Es difícil imaginar un campo en tres dimensiones, así que podemos tomar como modelo un espacio de sólo dos dimensiones, como la superficie de una piscina. En esa superficie se pueden definir campos como la altura del agua, la temperatura o la concentración de cloro en cada punto. Cada una de esas magnitudes define un campo.

Si arrojamos un objeto al centro de la piscina, se forman olas: la altura del agua en cada punto oscila arriba y abajo, eso son las ondas.
En nuestra analogía de la piscina, las ondas se producen al arrojar un objeto se propagan con facilidad hasta los bordes de la piscina, como en uno de esos campos de alcance infinito. Cuando llega el invierno, sin embargo, se coloca una cubierta de plástico. Si ahora tiramos un objeto, las olas que se producen son mucho más pequeñas, y se amortiguan en seguida, no llegan muy lejos. Hemos reducido la intensidad y el alcance de las ondas. Es lo mismo que ocurre cuando añadimos el campo de Higgs.
La cubierta de plástico es análoga al campo de Higgs también en otro sentido. Si la separamos del agua y la mantenemos tensa, forma una superficie horizontal, sin alteraciones. Igual que la superficie del agua en reposo. En el agua, éste es el estado de mínima energía, el valor del campo es cero en toda su extensión y no hay ondas. Esto es lo que ocurre con los campos normales, como el campo electromagnético… ¿Pero qué pasa si destensamos el plástico? Por su propio peso, el plástico se abomba, formando una concavidad. Algo parecido le ocurre al campo de Higgs: Su estado de mínima energía no corresponde con el valor de campo cero en todos sus puntos; en el estado de mínima energía del campo de Higgs el valor del campo no es nulo. O sea, que el vacío no está vacío. Es ese valor no nulo del campo de Higgs el que hace que las partículas inmersas en él adquieran masa.

Hay varias maneras de definir el campo de Higgs. La más simple es un campo de cuatro componentes. Al combinarse con el campo electrodébil, tres de esos componentes se mezclan con las tres partículas mediadoras de las interacciones nucleares débiles, las partículas Z, W+ y W-, y hacen que adquieran masa. El fotón queda libre, sin masa y con alcance infinito. El cuarto componente del campo de Higgs también queda libre y es, al parecer, la partícula que se ha detectado en el CERN hace unos meses.
Otras definiciones del campo de Higgs suponen la existencia de más partículas libres, que también podrían detectarse. Pero según los últimos resultados publicados, las propiedades de partícula detectada en el CERN se corresponden con las de ese campo de Higgs simple. Por ahora no parece que hay nueva física que explorar. Pero eso no quiere decir que todo esté ya sabido y solucionado con la física que conocemos hasta ahora. Álvaro de Rújula, físico teórico del CERN, ha calculado la contribución del campo de Higgs a la energía oscura, esa energía que llena el Universo y que hace que su expansión se esté acelerando. Aún no sabemos lo que es la energía oscura, pero de la observación del movimiento de las galaxias se puede determinar el valor de su intensidad. Pues resulta que ese valor experimental es cincuenta y tantos órdenes de magnitud menor que lo que debería ser teniendo en cuenta únicamente la contribución teórica del campo de Higgs. Cincuenta órdenes de magnitud significa un uno seguido de cincuenta ceros. Es una discrepancia enorme. Cincuenta órdenes de magnitud es la relación que hay entre la masa de un protón y la masa de la Tierra. En palabras de Álvaro de Rújula, es “casi la mayor contradicción de todos los tiempos, un desastre maravilloso”. Aún quedan muchos misterios del Universo por desentrañar.

Entrevistamos a Germán Fernández, Físico, Doctor en Ciencias por la Universidad Autónoma de Madrid. Trabajó en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), en Ginebra.

MAS INFORMACIÓN.

El Universo diminuto, ese mundo extraño. Hablamos con D. Alberto Casas.

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