A la caza de la part¨ªcula de Higgs

Al aportar 500 millones de d¨®lares (72.000 millones de pesetas) en los pr¨®ximos ocho a?os a la construcci¨®n del pr¨®ximo acelerador de part¨ªculas del Laboratorio Europeo de F¨ªsica de Part¨ªculas (CERN), junto a Ginebra, Estados Unidos participa por primera vez en un acelerador fuera de su territorio, que debe abrir nuevas fronteras a la f¨ªsica. El LHC (Large Hadron Collider) entrar¨¢ en servicio en 2005 y ocupar¨¢ el mismo t¨²nel circular que el actual acelerador LEP. La aportaci¨®n de EE UU apenas alcanza el 10% del coste total del proyecto (870.000 millones de pesetas) pero facilita su construcci¨®n.La gran unificaci¨®n entre el CERN junto a Ginebra, y EE UU ha centrado su atenci¨®n, una vez m¨¢s, en una de las partes m¨¢s sorprendentes de la f¨ªsica moderna: el origen de la masa. ?Qu¨¦ es lo que confiere en el Universo la propiedad conocida como masa? ?Por qu¨¦ tienen las part¨ªculas la masa que tienen? Por ejemplo, ?por qu¨¦ el ex¨®tico lept¨®n tau tiene una masa 3.491 veces superior a la de su primo inseparable, el electr¨®n? ?Por qu¨¦ algunas part¨ªculas, como el fot¨®n, no tienen masa en absoluto?

En cualquier teor¨ªa unificada de la materia, los valores de la masa de las part¨ªculas deber¨ªan salir f¨¢cilmente de las ecuaciones, pero, hoy por hoy, no salen. El modelo est¨¢ndar de la f¨ªsica tiene un gran ¨¦xito a la hora de explicar muchas cosas sobre el mundo subat¨®mico y cu¨¢ntico -como la organizaci¨®n jer¨¢rquica de los quarks (los constituyentes fundamentales del n¨²cleo at¨®mico) y de los leptones (como los electrones) en familias ordenadas- pero no hace predicciones espec¨ªficas sobre la masa que deber¨ªan tener todas estas part¨ªculas, ni siquiera sobre por qu¨¦ deber¨ªa existir una jerarqu¨ªa basada en la masa.

Los valores de masa deben ser tratados como dados, valores arbitrarios que no tienen otra explicaci¨®n. Los f¨ªsicos consideran esto poco satisfactorio, ya que implica que pasa algo que no conocen. Bajo el modelo est¨¢ndar debe haber una f¨ªsica en la que la explicaci¨®n de la masa sea una consecuencia natural. Una soluci¨®n podr¨ªa ser defender un campo de fuerza que se extendiese por todo el universo. Este es el llamado campo de Higgs, que debe su nombre al f¨ªsico te¨®rico Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, Escocia. Las part¨ªculas adquirir¨ªan la masa gracias a una interacci¨®n mayor o menor con el campo de Higgs. La f¨ªsica cu¨¢ntica establece que todos los campos tienen asociada una part¨ªcula, o familia de part¨ªculas, que interviene en los efectos observados del campo. De la misma manera que los campos electromagn¨¦ticos tienen sus fotones, el campo de Higgs tendr¨¢ su o sus part¨ªculas, los bosones de Higgs.

En el LEP (acelerador de electrones-positrones que funciona actualmente en la CERN) se podr¨ªan encontrar indicios del bos¨®n de Higgs, pero el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, en sus siglas inglesas), en el que EE UU centra su inter¨¦s y que est¨¢ previsto que empiece a funcionar en el CERN en el a?o 2005, funcionar¨¢ con energias mucho mayores y sin duda est¨¢ mejor adaptado para esta tarea.

La b¨²squeda del bos¨®n de Higgs tiene un problema adicional: nadie sabe c¨®mo es.

En el mundo de la f¨ªsica de altas energ¨ªas del CERN, y en otros lugares, la masa y la energ¨ªa se miden con una ¨²nica moneda: el electronvoltio (eV). Los experimentos para encontrar la part¨ªcula de Higgs dependen bastante de la gama de energ¨ªas accesibles a una m¨¢quina dada. En aceleradores de part¨ªculas, o con m¨¢s precisi¨®n colisionadores, como el LEP y el LHC, las part¨ªculas son creadas a partir de la energ¨ªa liberada por las colisiones a alta velocidad entre electrones y positrones (LEP) o protones (LHC). Debido a la famosa ecuaci¨®n de Einstein seg¨²n la cual la energ¨ªa es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (una cifra muy alta), hace falta una cantidad enorme de energW para crear una part¨ªcula muy peque?a.

Las masas de las part¨ªculas de Higgs depender¨¢n de otros factores, como la masa del quark top. Si los valores experimentales de la masa del quark top, el ¨²ltimo descubierto, son m¨¢s o menos correctos, la part¨ªcula de Higgs deber¨ªa tener una masa de alrededor de 130 GeV (un giga o mil millones de electronvoltios). El LEP puede examinar energ¨ªas de hasta 100 GeV, as¨ª que es poco probable que vea se?ales de Higgs directamente.

Pero si las viese, una part¨ªcula de Higgs ligera (por debajo de los 100 GeV) implicar¨ªa u?a f¨ªsica completamente nueva, m¨¢s all¨¢ del modelo est¨¢ndar, que se revelar¨¢ en las energ¨ªas TeV (un tera o un bill¨®n de electronvoltios) accesibles en el LHC.

La idea del campo de Higgs procede de un concepto m¨¢s abstracto, el de la simetr¨ªa. Con las enormes energ¨ªas supuestamente presentes en la bola de fuego del Big Bang, se cree que las cuatro fuerzas de la naturaleza -la gravedad, el electromagnetismo, y las fuerzas nucleares fuertes y d¨¦biles- debieron ser muy parecidas. Se debieron de percibir de m¨¢s o menos la misma manera a distancias similares y las part¨ªculas que intervinieron en las fuerzas habr¨ªan tenido una masa similar. Pero a medida que el universo se fue enfriando, la energ¨ªa necesaria para sostener esta unificaci¨®n se disip¨® y las cuatro fuerzas se separaron en los cambios conocidos como "ruptura de simetr¨ªa".

El electromagnetismo y la fuerza d¨¦bil son, en el mundo de bajas temperaturas moderno, muy diferentes. El electromagnetismo se puede percibir a kil¨®metros de distancia; la fuerza nuclear d¨¦bil es insignificante a distancias mayores que un n¨²cleo at¨®mico y es responsable de un mont¨®n de fen¨®menos como la desintegraci¨®n radioactiva. Sin embargo, hay pruebas fehacientes de que ambas fuerzas son aspectos de la misma fuerza subyacente, de que son consecuencia de la ruptura de una simetr¨ªa que se produjo en los albores de la historia del universo.

La fuerza electrod¨¦bil est¨¢ ahora bien fundada, salvo por un aspecto: la existencia del campo de Higgs y de su part¨ªcula o part¨ªculas acompa?antes. La teor¨ªa predice que las interacciones electrod¨¦biles deber¨ªan ser llevadas a cabo por una variedad de part¨ªculas: cuatro, para ser exactos, dos neutras y dos con carga el¨¦ctrica. Una de las part¨ªculas neutras es el fot¨®n, que no tiene masa.

Las otras tres part¨ªculas deber¨ªan tener masa para que el sistema funcionase: efectivamente, se han descubierto las part¨ªculas W con carga positiva o negativa, y la part¨ªcula Z neutra.

Cuando el electromagnetismo se separ¨® de la fuerza nuclear d¨¦bil, el campo de Higgs oblig¨® a que la simetr¨ªa se rompiese de tal forma que el fot¨®n no tiene masa, mientras que las dos part¨ªculas W y la part¨ªcula Z adquirieron masas significativas. El campo de Higgs debe existir para que la teor¨ªa de la fuerza electrod¨¦bil funcione.