Arranca la b¨²squeda de la 'part¨ªcula Dios'

La sala de reuniones del partido tory est¨¢ llena de militantes que charlan tranquilamente cuando, de pronto, la se?ora Thatcher entra por la puerta. A medida que Thatcher camina por la habitaci¨®n, los militantes m¨¢s cercanos forman corrillos a su alrededor y, en consecuencia, dificultan el movimiento de su l¨ªder.

Los militantes representan el campo de Higgs, una forma de energ¨ªa que impregna todo el espacio y confiere masa a las part¨ªculas (como Thatcher). Un prot¨®n, por ejemplo, no tendr¨ªa masa si no fuera por el campo de Higgs. Sin ese campo misterioso, todos ser¨ªamos livianos como el fot¨®n, y nos mover¨ªamos, como ¨¦l, a la velocidad de la luz.

La anterior par¨¢bola, debida al f¨ªsico brit¨¢nico David Miller, es un peque?o cl¨¢sico de la divulgaci¨®n cient¨ªfica. En 1993, el ministro brit¨¢nico de Ciencia, William Waldegrave, repar¨® en que su departamento estaba gastando mucho dinero en la b¨²squeda de una cosa llamada "el bos¨®n de Higgs", y lanz¨® el desaf¨ªo: "No s¨¦ si financiar¨¦ la b¨²squeda del bos¨®n de Higgs, pero le pago una botella de champ¨¢n a quien logre explicarme qu¨¦ es". Miller se gan¨® el champ¨¢n con la historia de la se?ora Thatcher.

Sin el misterioso campo de Higgs ser¨ªamos livianos como el fot¨®n

Para observar la part¨ªcula elemental se requieren altas energ¨ªas de colisi¨®n

Incluso si se crean miniagujeros negros, no ser¨ªan peligrosos

Falta una teor¨ªa que explique las grandes fuerzas de la naturaleza

El Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, o LHC), que entra hoy en funcionamiento junto a Ginebra, tiene tambi¨¦n otros objetivos, pero el principal es encontrar el bos¨®n de Higgs, apodado "la part¨ªcula-Dios" por el premio Nobel Sheldon Glashow. Es una predicci¨®n central del modelo est¨¢ndar con el que los f¨ªsicos describen el mundo subat¨®mico, y observarlo requiere las altas energ¨ªas de colisi¨®n que alcanzar¨¢ el LHC, un esfuerzo de 6.000 millones de euros.

Esas altas energ¨ªas tambi¨¦n han llevado a algunas personas a temer que el LHC pueda causar una cat¨¢strofe planetaria, mediante la creaci¨®n de un agujero negro u otros fen¨®menos. Estos catastrofistas han llegado a presentar dos demandas judiciales contra el acelerador de Ginebra.

El grupo de f¨ªsicos reunidos en el Consejo Asesor de Seguridad del LHC (LHC Safety Assessment Group, o LSAG) ha concluido, sin embargo, que "incluso si el acelerador llegara a producir microagujeros negros -una posibilidad contraria al modelo est¨¢ndar de la f¨ªsica de part¨ªculas-, estos ser¨ªan "incapaces de agregar materia en torno a ellos de una forma que resultara peligrosa para la Tierra".

El campo de Higgs -el conjunto de los militantes tories que llenan la habitaci¨®n- fue postulado en 1963 por media docena de f¨ªsicos, de los que el brit¨¢nico Peter Higgs ni siquiera era el m¨¢s destacado (de hecho, hay quien prefiere llamarlo "campo de Higgs-Brout- Englert-Guralnik-Hagen-Kibble"). Pero fue Higgs el primero en hablar del "bos¨®n de Higgs".

El campo de Higgs y el bos¨®n de Higgs son dos formas de ver el mismo fen¨®meno. Esta dualidad se deriva de uno de los principios m¨¢s desconcertantes -pero tambi¨¦n mejor establecidos- de la f¨ªsica cu¨¢ntica (la antiguamente llamada "dualidad onda-corp¨²sculo"). El caso m¨¢s familiar es el de la doble naturaleza de la luz, que consiste a la vez en un campo electromagn¨¦tico y en un chorro de part¨ªculas, o fotones.

El modelo est¨¢ndar de la f¨ªsica subat¨®mica divide las part¨ªculas en dos grandes grupos: las que constituyen la materia (fermiones, como los quarks) y las que transmiten las fuerzas (bosones, como el fot¨®n). El propuesto bos¨®n de Higgs, por tanto, ser¨ªa una part¨ªcula, y eso es lo que los f¨ªsicos esperan observar en el nuevo superacelerador de Ginebra.

En la par¨¢bola de Miller, el bos¨®n de Higgs se puede visualizar as¨ª: imaginemos que, en vez de la se?ora Thatcher, lo que llega a la habitaci¨®n es el mero rumor de que Thatcher va a venir. Los militantes m¨¢s cercanos a la puerta forman un corrillo para o¨ªr la noticia. Luego pasan el rumor a los siguientes, que forman un corrillo, etc¨¦tera. Ese corrillo virtual que se propaga es el bos¨®n de Higgs. Tambi¨¦n tiene masa, pero esta vez gracias a s¨ª mismo.

Fue el f¨ªsico te¨®rico norteamericano Steven Weinberg quien encaj¨® los campos de Higgs en el mismo centro neur¨¢lgico del modelo est¨¢ndar de la f¨ªsica de part¨ªculas (o m¨¢s bien cre¨® con ellos el modelo est¨¢ndar). El trabajo de Weinberg y sus colegas Abdus Salam y Sheldon Glashow tiene que ver con uno de los principales objetivos de la f¨ªsica actual: la unificaci¨®n entre las fuerzas fundamentales de la naturaleza, es decir, la formulaci¨®n de una teor¨ªa que explique todas esas fuerzas de una sola tacada.

Los grandes avances en la comprensi¨®n cient¨ªfica del mundo suelen consistir en unificaciones de ese tipo. La misma f¨ªsica en su conjunto recibi¨® el impulso definitivo cuando Newton desarroll¨® el concepto de gravedad, que explicaba a la vez la ¨®rbita de la Luna, los movimientos de los planetas y el comportamiento de los objetos en tierra firme: una unificaci¨®n.

La revoluci¨®n de la energ¨ªa el¨¦ctrica se debe al trabajo de Faraday y Maxwell, que comprendieron que dos fuerzas previamente percibidas como dispares, la electricidad y el magnetismo, eran en realidad dos formas de mirar a una ¨²nica fuerza: el electromagnetismo. La gravedad y el electromagnetismo se convirtieron en las dos "fuerzas fundamentales" de la naturaleza conocidas a finales del siglo XIX.

Pero la exploraci¨®n interna de la estructura del ¨¢tomo revel¨® pronto otras dos "fuerzas fundamentales" m¨¢s. Se llaman fuerza nuclear "fuerte" y "d¨¦bil", y son las que mantienen unido el n¨²cleo at¨®mico y provocan los varios tipos de desintegraci¨®n radiactiva. En total, cuatro fuerzas a unificar.

Cada una de estas fuerzas se asocia a una part¨ªcula mensajera (denominada bos¨®n, como vimos antes). La part¨ªcula mensajera de la fuerza electromagn¨¦tica es el fot¨®n. Weinberg y sus colegas se dieron cuenta de que la fuerza nuclear d¨¦bil podr¨ªa explicarse mediante una part¨ªcula id¨¦ntica al fot¨®n en todo excepto en su masa. El fot¨®n no interact¨²a con el campo de Higgs, y como consecuencia no tiene masa. Pero el nuevo mensajero deb¨ªa interactuar con el campo de Higgs adquiriendo una masa considerable (unas 90 veces la masa del prot¨®n).

Los mensajeros de la fuerza nuclear d¨¦bil (los bosones W y Z) aparecieron poco despu¨¦s en los aceleradores de part¨ªculas, y ten¨ªan las propiedades predichas por Weinberg: id¨¦nticos al fot¨®n en todo excepto en que ten¨ªan cerca de 90 veces la masa del prot¨®n.

Weinberg, Salam y Glashow recibieron el premio Nobel en 1979. Su teor¨ªa hab¨ªa unificado las fuerzas electromagn¨¦tica y nuclear d¨¦bil. El mismo tipo de idea se puede extender a otras part¨ªculas y fuerzas fundamentales. El campo de Higgs es por ello un elemento central del modelo est¨¢ndar de la f¨ªsica de part¨ªculas.

Si el bos¨®n de Higgs aparece en el LHC en los pr¨®ximos a?os, la ¨²ltima pieza habr¨¢ encajado y el modelo est¨¢ndar habr¨¢ recibido el espaldarazo definitivo. En caso contrario, habr¨¢ que modificar el modelo en sus fundamentos m¨¢s b¨¢sicos.

En la par¨¢bola de Miller, la "masa del prot¨®n" no es una sustancia que acompa?a al prot¨®n en su desplazamiento: ahora son estos diez militantes y un segundo despu¨¦s son otros diez distintos. Pero siempre son diez, porque ¨¦se es el atractivo t¨ªpico de la se?ora Thatcher. Por eso todos los protones tienen la misma masa.

Y tambi¨¦n por eso las distintas part¨ªculas tienen diferentes masas: porque su atractivo para el campo de Higgs tiene distinta magnitud. El f¨ªsico te¨®rico Brian Greene -un string theorist, o especialista en la "teor¨ªa de cuerdas" que aspira a unificar las cuatro fuerzas fundamentales, incluida la gravedad- lo ha explicado con una variante de la par¨¢bola de Miller en que los militantes tories son reemplazados por una turbamulta de paparazzi que esperan a la entrada de un estreno de Hollywood.

Si llega un coche y se baja Brad Pitt, los paparazzi se agregar¨¢n en torno a ¨¦l y apenas le dejar¨¢n moverse: el actor habr¨¢ adquirido una gran masa. Pero si el que aparece es una vieja gloria de Hollywood de la que no se acuerda ni su agente art¨ªstico, los paparazzi le dejar¨¢n pasar sin apenas oponer resistencia. La masa de la vieja gloria ser¨¢ por tanto muy peque?a. Y uno puede imaginar todo un espectro de masas intermedias.

El bos¨®n de Higgs es tambi¨¦n un componente esencial de las actuales teor¨ªas sobre el origen del universo, conocidas gen¨¦ricamente como "inflaci¨®n c¨®smica" o "universo inflacionario". La inflaci¨®n -el bang del big bang, en palabras de Greene- es una expansi¨®n c¨®smica rapid¨ªsima, m¨¢s veloz que la velocidad de la luz, que seg¨²n estos modelos ocurri¨® una fracci¨®n de segundo despu¨¦s del origen del cosmos.

La inflaci¨®n parece una teor¨ªa extra?a, pero es necesaria para explicar que el universo actual sea homog¨¦neo a gran escala: es decir, que consista en todas partes del mismo tipo de agregados de galaxias y superc¨²mulos de galaxias, pese a que las regiones distantes del cosmos no han tenido ocasi¨®n de interactuar para ponerse de acuerdo sobre cu¨¢les han de ser sus propiedades b¨¢sicas.

La carrera de los f¨ªsicos para experimentar en aceleradores de part¨ªculas cada vez m¨¢s potentes puede verse como un viaje hacia atr¨¢s en el tiempo. Como el universo era en su origen inconcebiblemente peque?o y denso en energ¨ªa, y a partir de ah¨ª empez¨® a expandirse y enfriarse, cada nuevo acelerador emula al universo primigenio en una fase algo anterior de su evoluci¨®n inicial.

Visto desde el prisma de la unificaci¨®n de las fuerzas fundamentales, cada incremento en la energ¨ªa de las colisiones en los aceleradores nos acerca un poco m¨¢s a la ¨¦poca remota en que todas las fuerzas eran en realidad la misma: como la electricidad y el magnetismo son la misma fuerza en la actualidad, y como el electromagnetismo y la fuerza nuclear d¨¦bil resultan ser lo mismo a las energ¨ªas de colisi¨®n que se alcanzaron en los a?os setenta.

En el origen del universo, todas las part¨ªculas y todas las fuerzas eran iguales: los campos de fuerza estaban evaporados a aquellas alt¨ªsimas temperaturas, y s¨®lo se fueron condensando despu¨¦s (donde "despu¨¦s" significa una fracci¨®n de segundo).

El campo (o una serie de campos) de Higgs fue el primero en condensarse, y ello elimin¨® en cascada la simplicidad del universo primitivo: las part¨ªculas elementales adquirieron distintas masas, y tambi¨¦n los bosones mensajeros, con lo que la ¨²nica fuerza primordial se separ¨® en las actuales fuerzas fundamentales.

Todas las part¨ªculas elementales conocidas tienen masas distintas. Los protones y los neutrones que constituyen el n¨²cleo at¨®mico no son part¨ªculas elementales, sino que est¨¢n hechos de dos tipos de quarks, up y down (un prot¨®n consiste en dos quarks up y uno down; un neutr¨®n consiste en dos down y un up). Esto es lo que hab¨ªa predicho la teor¨ªa, pero los aceleradores han revelado adem¨¢s otros cuatro tipos de quarks, y todos tienen masas distintas, que cubren un intervalo entre 0,05 y 190 veces la masa del prot¨®n.

Todas esas part¨ªculas gratuitas con masas tan disparatadas quedar¨¢n explicadas si los experimentos proyectados en el LHC logran encontrar el bos¨®n de Higgs. Quiz¨¢ el apodo de "part¨ªcula Dios" que le puso Lederman le quede un poco grande, pero ni siquiera el santo grial ha sido tan buscado en la historia.