Bos¨®n de Higgs: diez a?os del descubrimiento del siglo (hasta ahora)

Hace exactamente 10 a?os, desde el Laboratorio Europeo de F¨ªsica de Part¨ªculas (CERN) se anunci¨® el descubrimiento del bos¨®n de Higgs. La noticia tuvo una repercusi¨®n cient¨ªfica y medi¨¢tica sin precedentes en un tema de f¨ªsica fundamental. Con la perspectiva de una d¨¦cada, podemos preguntarnos: ?Estaba justificado tanto revuelo?, ?qu¨¦ nos ha ense?ado el bos¨®n de Higgs sobre el universo? Y m¨¢s a¨²n: ?qu¨¦ es lo que todav¨ªa no entendemos? ?Cu¨¢les son las cuestiones m¨¢s candentes de la f¨ªsica b¨¢sica?

Volviendo al principio, el revuelo de hace 10 a?os estaba plenamente justificado. Sin duda, el descubrimiento del bos¨®n de Higgs es el avance m¨¢s importante de las ¨²ltimas d¨¦cadas en nuestro conocimiento profundo de la naturaleza. Podr¨ªamos situarlo en la l¨ªnea de grandes hitos cient¨ªficos del siglo pasado, como la comprensi¨®n de la estructura at¨®mica de la materia o el descubrimiento de las huellas del Big Bang en el universo. ?Por qu¨¦ es tan importante el bos¨®n de Higgs? En primer lugar, arroja luz sobre conceptos muy b¨¢sicos y familiares. Tan familiares, que a menudo no meditamos sobre ellos. Por ejemplo, todos estamos acostumbrados a las fuerzas el¨¦ctricas y magn¨¦ticas. Ahora bien, ?por qu¨¦ hay fuerzas el¨¦ctricas?, ?por qu¨¦ son c¨®mo son? Si nos paramos a pensarlo, es un hecho misterioso. El bos¨®n de Higgs nos ayuda a entender (en parte) este ¡°hecho de la vida¡±, crucial para nuestra existencia. El bos¨®n de Higgs arroja luz tambi¨¦n sobre otros conceptos, como el del vac¨ªo (?est¨¢ el vac¨ªo realmente vac¨ªo?) o las interacciones d¨¦biles. Estas ¨²ltimas no resultan tan familiares como las electromagn¨¦ticas, pero son igual de fundamentales, y las responsables de que el Sol brille y pueda existir la vida en la Tierra. Y nuestro bos¨®n, que ahora cumple 10 a?os, juega un papel absolutamente crucial para entenderlas. Pero sobre todo, el Higgs arroja luz sobre la noci¨®n de masa.

La masa es de esos conceptos tan cotidianos que no nos preguntamos sobre su raz¨®n de ser. Simplemente, sucede que los objetos tienen masa. Pero ?por qu¨¦ la tienen? Avisemos de entrada que la mayor parte de la masa de un objeto reside en sus n¨²cleos at¨®micos, hechos de protones y neutrones, cuya masa procede casi en su totalidad de las interacciones fuertes que bullen en su interior. Aqu¨ª hay que aclarar que los protones y neutrones no son realmente elementales, sino que est¨¢n compuestos de otras part¨ªculas llamadas quarks. El interior de un prot¨®n o neutr¨®n es un mundo diminuto, muy complejo y lleno de energ¨ªa, que es la principal responsable de su masa. En contraste, los electrones de la corteza at¨®mica parecen ser part¨ªculas realmente elementales, sin estructura interna. Ciertamente, su masa es peque?a en comparaci¨®n con la el n¨²cleo at¨®mico, pero ?de d¨®nde proviene esa masa? Hasta donde sabemos, el grupo de part¨ªculas de materia verdaderamente elementales es muy reducido: 12 part¨ªculas, entre las que se encuentran los electrones, los neutrinos y los quarks. Entender el origen de su masa es un problema absolutamente fundamental.

Podr¨ªa pensarse que, al fin y al cabo, la masa del electr¨®n contribuye tan poco a la masa de las cosas, que apenas tiene relevancia. Todo lo contrario: si los electrones no tuvieran masa viajar¨ªan a la velocidad de la luz (como los fotones) y no podr¨ªan ser capturados por los n¨²cleos at¨®micos. As¨ª que no habr¨ªa ¨¢tomos, ni mol¨¦culas, ni por supuesto vida. Pero desde un punto de vista conceptual, la masa de los electrones (y del resto de las part¨ªculas elementales) es una cuesti¨®n a¨²n m¨¢s trascendental. Para entenderlo, pensemos en lo siguiente. Todo lo que sabemos acerca de las part¨ªculas elementales est¨¢ contenido en una teor¨ªa soberbia, llamada el Modelo Est¨¢ndar. Hasta ahora no se ha encontrado ninguna observaci¨®n que contradiga esta teor¨ªa, y hay miles (incluso millones) que la refrendan todos los d¨ªas. Para su propia consistencia interna, el Modelo Est¨¢ndar requiere ciertas simetr¨ªas, es decir, regularidades de sus ecuaciones. A primera vista, la masa de las part¨ªculas rompe de forma desastrosa esas simetr¨ªas, con lo que la teor¨ªa se volver¨ªa inconsistente e inservible. Para poderla rescatar hubo que imaginar un mecanismo capaz de dar masa a las part¨ªculas sin romper la simetr¨ªa. Este es el mecanismo de Higgs, formulado inicialmente por Robert Brout y Fran?ois Englert, y unas semanas despu¨¦s por Peter Higgs, en 1964.

Sin entrar en tecnicismos, este mecanismo postula la existencia de un campo, H, llamado campo de Higgs, que llena todo el universo de manera homog¨¦nea (quiz¨¢ a usted le recuerde al ¨¦ter, y con raz¨®n). Si no existiera el campo H las part¨ªculas no tendr¨ªan masa, como parecen exigir las simetr¨ªas del Modelo Est¨¢ndar, pero resulta que las part¨ªculas interact¨²an con este campo omnipresente, y esa interacci¨®n, parecida a la fricci¨®n de una bola movi¨¦ndose en el seno de un l¨ªquido, produce exactamente el mismo efecto que si la part¨ªcula tuviera masa ¡°por s¨ª misma¡±. Si la teor¨ªa es correcta, ser¨ªa posible excitar ese campo H (el equivalente a agitar un l¨ªquido en reposo). Y esas excitaciones elementales son los bosones de Higgs (estos s¨ª, predichos en primer lugar por Peter Higgs).

Para verificar esta predicci¨®n es necesario ¡°agitar el vac¨ªo¡±, lo cual se consigui¨® hace 10 a?os haciendo chocar protones a energ¨ªas fabulosas en el interior del LHC, el acelerador y colisionador de part¨ªculas en forma de anillo situado en el CERN. Ello conllev¨® la colaboraci¨®n de miles de cient¨ªficos de muchos pa¨ªses a lo largo dos d¨¦cadas; una empresa verdaderamente mundial con el rom¨¢ntico objetivo de conocer mejor ¡°la forma de pensar¡± de la naturaleza, sus entresijos m¨¢s profundos. La existencia del bos¨®n de Higgs es sin duda la predicci¨®n m¨¢s crucial del Modelo Est¨¢ndar, adem¨¢s de proporcionarnos una perspectiva novedosa de la naturaleza: el vac¨ªo no est¨¢ vac¨ªo, contiene un misterioso campo gracias al cual podemos existir. Hay que decir que a lo largo de estos 10 a?os se han seguido investigando las propiedades del bos¨®n de Higgs, que hoy conocemos muy bien. En particular, se ha constatado que el bos¨®n interact¨²a con el resto de las part¨ªculas elementales con una fuerza proporcional a la masa de estas, tal como predice el mecanismo de Higgs. Este hallazgo tiene por s¨ª mismo una importancia extraordinaria: por vez primera estamos viendo fuerzas fundamentales nuevas (m¨¢s all¨¢ de las interacciones gravitatoria, electromagn¨¦tica, fuerte y d¨¦bil). El origen de estas nuevas fuerzas es totalmente desconocido. Sabemos formularlas, pero no su origen.

El bos¨®n de Higgs nos ha ense?ado muchas cosas, pero los misterios m¨¢s profundos siguen sin ser comprendidos y son la fuente de inspiraci¨®n de los f¨ªsicos y f¨ªsicas de part¨ªculas de todo el mundo. Algunos de estos misterios est¨¢n directamente conectados con el bos¨®n de Higgs. Por ejemplo, ?por qu¨¦ el electr¨®n tiene la masa que tiene y otras part¨ªculas elementales (como el quark ¡°top¡±) son mucho m¨¢s pesadas? Sin duda, se debe que su interacci¨®n con el campo de Higgs es m¨¢s peque?a, pero ?por qu¨¦ es m¨¢s peque?a?, nadie lo sabe. Adem¨¢s, hay hechos que nos indican claramente que el Modelo Est¨¢ndar no puede ser la ¨²ltima palabra para entender el universo. Quiz¨¢ el m¨¢s importante sea la existencia de la materia oscura, una sustancia misteriosa que envuelve a las galaxias y se extiende m¨¢s all¨¢ de ellas. Esta materia es seis veces m¨¢s abundante que la materia ordinaria; o sea, la que est¨¢ (magn¨ªficamente) descrita por el Modelo Est¨¢ndar. Para entenderla debemos ir m¨¢s all¨¢ del Modelo Est¨¢ndar. Tampoco entendemos el origen de la asimetr¨ªa materia-antimateria en el universo ni la forma de hacer la gravedad consistente con la mec¨¢nica cu¨¢ntica. Estas cuestiones pendientes son investigadas a diario por investigadores/as te¨®ricos y experimentales en todo el mundo. Quiz¨¢ en los pr¨®ximos a?os el LHC en el CERN (o tal vez otro experimento) nos d¨¦ una sorpresa agradable y nos revele esa nueva f¨ªsica. Esa noticia ser¨¢ a¨²n m¨¢s importante que el descubrimiento que hoy conmemoramos, y que de momento podemos calificar como el descubrimiento del siglo.

Me gustar¨ªa terminar con un recuerdo para Teresa Rodrigo, una gran f¨ªsica experimental fallecida recientemente y presidenta del comit¨¦ cient¨ªfico de CMS: uno de los dos experimentos del LHC que realizaron este descubrimiento trascendental.

Alberto Casas es investigador del Instituto de F¨ªsica Te¨®rica (UAM-CSIC).

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