El bosón de Higgs

Seguramente has oído hablar del bosón de Higgs en alguna ocasión (especialmente desde 2013), y es posible que sepas que es algún tipo de partícula por el que, a finales de ese mismo año, Peter Higgs y François Englert recibieron un Premio Nobel. Lo que quizá no tengas tan claro es en qué consiste la partícula de marras, así que vamos a ver si podemos entender mejor cuál es su importancia…

Entendiendo el modelo estándar

Imagen de un evento de Higgs.
Crédito: Bianchi, Riccardo Maria, CERN

Para poder hablar del bosón de Higgs primero tenemos que hablar un poco de la física de partículas. Más concretamente, del Módelo Estándar. En resumidas cuentas, el Modelo Estándar es las leyes de la física de partículas tal y como la entienden los científicos. Con él podemos explicar (casi toda) la materia y las fuerzas que vemos a nuestro alrededor. Lo importante es tener claro que existen dos categorías principales: fermiones y bosones.

Los fermiones son materia. Tenemos protones y neutrones, que están compuestos por quarks, y  leptones, que son indivisibles, como los electrones y neutrinos. Es decir, todo lo que puedas tocar está compuesto por fermiones. Hasta aquí la parte más sencilla. Como la parte física ya la tenemos cubierta con los fermiones, es posible que te estés preguntando qué papel desempeñan los bosones. Son las partículas que comunican las interacciones fundamentales del universo. La más conocida es, probablemente, el fotón, que comunica la fuerza electromagnética. También tenemos el gluón, que comunica la interacción nuclear fuerte, y los bosones W y Z que comunican la interacción nuclear débil.

Hay cuatro interacciones fundamentales en el Universo: la fuerza electromagnética (para la que tenemos el fotón), la interacción nuclear fuerte (gluón), la interacción nuclear débil (bosones W y Z) y la gravedad. Por extraño que pueda parecer, no hemos encontrado, todavía, un bosón que comunique la gravedad. Tanto su descubrimiento (como el descubrimiento de que, realmente, no existe) es algo que no hemos logrado por ahora. Es decir, el Módelo Estándar explica las leyes de la naturaleza tal y como las observamos a nuestro alrededor.

El campo de Higgs

Peter Higgs.
Crédito: Bengt Nyman

Uno de los misterios de la física, sin resolver hasta hace muy poco, era el concepto de la masa. ¿Por qué existe la masa o la inercia? ¿Por qué la cantidad de masa que tenga un objeto define lo fácil o difícil que es hacer que empiece a moverse o detenerse? En los años 60, Peter Higgs predijo que debía haber algún tipo de campo que recubre todo el espacio y que interacciona con la materia, como un pez nadando en el agua. Cuanta más masa tenga el objeto, más interaccionará con ese campo al que, sencillamente, conocemos como el campo de Higgs.

Como cualquier otra interacción fundamental del universo, el campo de Higgs debería tener un bosón que lo comunique, y eso es a lo que nos referimos al hablar del bosón de Higgs. El campo en sí es indetectable pero, si podemos detectar las partículas correspondientes, podemos asumir que existe. Aquí es donde entra en juego el Gran Colisionador de Hadrones (que abreviamos como LHC por su nombre en inglés, y que para algunos ha sido fuente de temores infundados).

Un acelerador de partículas (como el LHC) convierte la energía en materia por medio de la famosa fórmula e=mc2 (energía es igual a masa por la velocidad de la luz al cuadrado). La aceleración de partículas como los protones, a velocidades inmensas, les proporcionar una cantidad enorme de energía cinética. En su configuración actual, el LHC es capaz de mover protones a 0,999999991c, que es unos 10km/h más lento que la velocidad de la luz.

Creando partículas en el colisionador

Un túnel del Gran Colisionador de Hadrones.
Crédito: Julian Herzog

Así que, si movemos dos haces de partículas en direcciones opuestas, y los hacemos chocar a velocidades muy cercanas a la de la luz, lo que tenemos es una cantidad gigantesca de energía concentrada en un volumen de espacio diminuto. Como esta energía tiene que ir a algún lugar, se condensa en materia (ya sabes, la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma), cuanta más energía puedas hacer chocar en ese espacio, más masivas serán las partículas que puedas crear.

En 2013, después de colisionar haces de partículas al nivel de energía apropiado, los físicos pudieron detectar la presencia del bosón de Higgs con la ayuda del Gran Colisionador de Hadrones, y la cascada de partículas que sucede cuando el bosón decae. Como se han detectado las partículas que se esperaban, se puede suponer la presencia del bosón de Higgs, y de ahí podemos deducir la presencia del campo de Higgs (y si te llamas Peter Higgs o François Englert, recibir un Premio Nobel por el camino).

Todavía quedan misterios por resolver

El descubrimiento del bosón de Higgs no es el final del camino para los aceleradores de partículas. Quedan muchos misterios por resolver. Por un lado, la existencia (o no) del bosón que comunica la gravedad y, lo que es aun más importante, intentar entender esos dos conceptos que sabemos que tienen que estar ahí, pero que no hemos logrado detectar, al menos por ahora: la materia y la energía oscuras. Los cosmólogos creen que el universo está compuesto de un 23% de materia oscura, un 73% de energía oscura y un 4% de materia barionica normal (es decir, la materia que está formada por fermiones y leptones, todo lo que nos rodea y que podemos tocar).

Estamos más cerca de entender ese 4% del universo que nos rodea, pero nos queda un 96% que, al menos por ahora, escapa completamente a nuestro entendimiento. Ya tenemos la última pieza que nos faltaba en el modelo estándar, y el LHC está operando a niveles cada vez más altos de energía en busca de otras partículas. Quizá estemos a las puertas de poder comenzar a comprender la energía oscura, o hasta es posible que creen agujeros negros microscópicos (que no supondrían ningún peligro para nuestro planeta, no os alarméis)… ¡Habrá que estar al tanto!

Referencias: Universe Today, Wikipedia