El bosón de Higgs, fácil

Mucho se ha hablado y escrito del ya famoso bosón de Higgs pero, ¿sabes lo que es y cómo funciona? 

La respuesta es probablemente no, en cuyo caso este será un post hecho a tu medida porque lo vamos a abordar en profundidad, pero sin dar nada por supuesto.

Vale. Vamos a probar de esta forma: ¿Cómo comprender lo que es el bosón de Higgs si antes no sabemos lo que es un bosón? Parece lógico ¿verdad? Vamos allá.

Existen dos tipos de partículas elementales, o básicas, en el Universo que conocemos. Unas son los famosos bosones y las otras los hoy por hoy menos populares fermiones. Aunque estos te suenen menos, son lo que probablemente entenderás de manera más sencilla.

1.- FERMIONES: son aquellas partículas o unidades básicas con las que se construye todo lo que ves.

Mira el ratón de ordenador que tienes al lado. Imagínate que lo partes en dos, luego coges una de las mitades y la vuelves a partir y así sucesivamente hasta que tengas trocitos que solo se verían al microscopio. Si pudieras seguir partiendo ilimitadamente la materia del ratón (o de lo que sea) llegarías hasta sus átomos, trocitos básicos de material que podrían ser de carbono, de oxígeno, de hidrógeno…

En esta analogía del átomo
con un huevo frito, los
electrones giran en la corteza (clara)
 y los protones y neutrones
están en el núcleo (yema)

Pero aún estos átomos podrían seguir descomponiéndose en trozos más pequeños. Como recordarás del colegio, el átomo está formado, en su parte más externa (corteza) por electrones y en su parte interna (núcleo) por protones y neutrones, que son, por tanto, trozos de materia aún más pequeños que el átomo. La física descubrió en el último siglo que aún estas partículas subatómicas como el protón o el neutrón están compuestas a su vez de otras partículas todavía más pequeñas que son, ni más ni menos, que los fermiones estos de los que hablábamos: Los trocitos últimos de la materia.

Aunque no es necesario para el objeto de este post, por si te suenan, para que los ubiques, hay dos tipos de fermiones: Los leptones (como los electrones de las cortezas de los átomos) y los quarks que forman protones y neutrones del núcleo atómico)

2.- BOSONES: son el otro gran tipo de partículas elementales o básicas. Para no complicarnos en exceso, tomaremos los más singulares representantes de este tipo de bosones, los bosones de gauge: Las partículas que regulan las fuerzas fundamentales que interaccionan con los trocitos más pequeños de la materia, los fermiones.

Esto es, son partículas portadoras de fuerzas, entre ellas las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte), los cuatro procesos básicos que regulan el todo, las “reglas del juego” del Universo donde los jugadores serían esos fermiones o trocitos pequeños de la materia.

Quédate con esa idea: Los fermiones (la materia) son los jugadores y los bosones (las fuerzas) los transmisores de las reglas que deben acatar.

--Así, por ejemplo, la gravedad sería transmitida por los bosones llamados gravitones; el electromagnetismo y la luz por los bosones llamados fotones, la fuerza nuclear fuerte por los bosones llamados gluones y la fuerza nuclear débil por los bosones vectoriales W y Z, que así se llaman.  

Vale, ya lo tienes: Los fermiones son los trozos de todo lo que existe y los bosones pueden actuar como las unidades básicas de las reglas por las que se rige esta materia, como la gravedad.

El bosón de la masa

Avancemos pues;) ¿Qué leches es entonces el bosón de Higgs? Ni más ni menos que el bosón o partícula responsable de transmitir la masa.

Y ¿qué es la masa? La cantidad de materia: Decimos que un armario es más masivo (tiene más masa) que un dado, por ejemplo, porque tiene mayor cantidad de materia. Y ligado a la masa tenemos el concepto de inercia: Si ponemos al armario sobre un patinete y el dado sobre otro, deberemos aplicar más fuerza para mover el primero que el segundo. Y lo mismo si los echamos por una cuesta abajo y queremos intentar parar ambos patinetes: Será más difícil parar el patinete del armario que el del dado. En todo ello influyen los conceptos de masa e inercia.

Peter Higgs

Tales cuestiones son fáciles de visualizar pero difíciles de comprender. De hecho, la naturaleza última de la masa es justo lo que ha ocupado a los científicos durante el último medio siglo, desde que en los años 60, Peter Higgs y otros colegas enunciasen de forma teórica la hipótesis del bosón que tomaría su nombre para explicar la “aparición” de la masa, de la materia.

Así que aquí tienes la primera definición válida del bosón de Higgs: La partícula que, al interactuar con las demás, transmite la masa de estas.

¿Cómo funciona? El vacío no es la nada

A la vista de todo lo dicho, ya estamos en condiciones de decir que la masa no está ni en las propias partículas de la materia ni en el bosón de Higgs portador de masa, sino en la interacción de ambas. La relación entre una partícula y el bosón de Higgs es la que determinará la masa o cantidad de materia de la primera.

¿Y cómo lo hace? Pues de una manera flipante;) Como las partículas, la materia, puede estar en cualquier parte del Universo, es posible encontrar un bosón de Higgs también en cualquier parte del Cosmos. Esto supone introducir un nuevo concepto ligado al bosón de Higgs que es el Campo de Higgs, que se extiende por todo el Universo, incluido el vacío.

Para que lo veas más claro, imagínate que el Campo de Higgs es una enorme “gelatina” que se extiende por todo el Universo. Es una comparación muy tosca, evidentemente, pero puede valer. Algunas partículas la atraviesan con más o menos dificultad: Las que más interaccionan con esta “red gelatinosa” se comportarán como partículas más masivas. Dado el concepto de inercia, será más difícil moverlas y pararlas ya que contienen más materia. Por el contrario, las que la atraviesan de manera más sencilla se comportarán como partículas menos masivas y será más fácil moverlas o detenerlas. ¿Dónde está la masa, en la gelatina o en las partículas? Pues ni en una ni en otra, sino en la interacción de ambas.

Ya está. Ya lo tienes. Solo con que te quedes con esto habrás comprendido lo realmente fundamental. Esta es la esencia pura y dura del campo de Higgs (la “gelatina”) y su unidad básica: El bosón de Higgs.

--> Ahora bien, hay más implicaciones y detalles. Uno de vital trascendencia y que ha pasado un poco de puntillas estos días es la cuestión del vacío, realmente curiosa: El vacío, realmente, no está vacío, sino que está permeado por el Campo de Higgs donde se mueven sus bosones. Esto supone que el vacío no es sinónimo de la nada.

El Campo de Higgs

En los siguientes dos apartados  vamos a profundizar, detallar y pulir un poco más las generalidades explicadas sobre el bosón de Higgs. Puedes saltar directamente al título (El experimento del Cern) si no quieres complicártelo.

Obviamente, en el Universo no hay tal “gelatina”. ¿Cómo describir, para entender, este campo? Vamos a intentarlo desde otro punto de vista, que sigue siendo una aproximación simplificada, recuerda.

El campo de Higgs se define como un campo cuántico. Tranquilo. A ver: Cuánto, de cuántico, es la unidad mínima de una magnitud, el “paquete” mínimo de energía. En el caso de la luz, el fotón, por ejemplo, porque no se puede emitir “medio fotón”. ¿Sí? Vale. Seguimos.

Si emites un cuanto de luz, un fotón, se emite dentro de su propio campo, en este caso, el campo electromagnético de luz visible. Obviamente, el fotón lo puedes ver pero no oír. Y el cuanto de luz puede o no estar, pero siempre que esté, estará dentro su propio campo. Lo mismo ocurre con el campo de Higgs y su unidad básica, el bosón.

El bosón de Higgs en las teorías de unificación

¿Por qué es necesaria la existencia del bosón de Higgs? Como sabes, el modelo estándar de explicación del Universo trata de encontrar una única explicación conjunta o “unificada” de las cuatro fuerzas fundamentales ya comentadas. Por ahora pueden explicarse conjuntamente el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y hasta la nuclear fuerte, dejando a un margen la cuestión gravitatoria. Sin embargo, en los años 60, también las explicaciones de la nuclear débil y el electromagnetismo se negaban entre sí.

Para poder explicar ambas con las mismas leyes, los físicos se encontraron con que sus respectivos bosones (fotones para el electromagnetismo y bosones vectoriales W y Z para la nuclear débil) deberían no ser masivos, no tener masa. Esto funcionaba muy bien para el caso del fotón, pero se encontró que para que la nuclear débil pudiera explicarse satisfactoriamente, era necesario conceder masa a sus bosones vectoriales W y Z. Y esto, conceder masa a estos bosones, impedía unificar la teoría con el electromagnetismo del no masivo fotón.

Así que la existencia del bosón de Higgs supondría una solución al problema:  Una partícula que interactuaría con los bosones vectoriales W y Z otorgándole masa (autorizando así las explicaciones de la nuclear débil) pero, a la vez, concediendo que la masa no es propia de W y Z sino de la interacción de estos con el bosón de Higgs. Al no dotar a W y Z directamente de masa, era posible unificar su explicación con la del electromagnetismo.

Eso sí, hasta este 2012, no ha habido pruebas experimentales de la existencia del bosón y Campo de Higgs.

El experimento del CERN

Pero ¿qué es lo que se ha hecho en el Cern de Ginebra? Pues intentar encontrar pruebas de la existencia del bosón de Higgs. ¿Cómo? Haciendo chocar haces de protones a muy altas velocidades y en cantidades ingentes.

Con las colisiones se estudian las trayectorias de las partículas resultantes
que salen despedidas y sus características

A lo largo de túneles kilométricos, se aceleraron miles de millones de protones a velocidades cercanas en un 99,9% a la velocidad de la luz (300.000 kilómetros por segundo). Y se hicieron colisionar unos contra otros. En choques tan violentos y a tan altas energías, los protones se desintegran en sus unidades, fermiones, y cabe la posibilidad de que en algunos choques (del orden de una vez cada billón de colisiones) pueda darse también con un bosón de Higgs. Así que hay que chocarlos muchas, muchas veces, para intentar “pillar” a alguno de los esquivos bosones por medio.

¿Qué es lo que han encontrado? Pues que en una proporción dentro de lo esperado han aparecido partículas “nuevas” (desconocidas hasta el momento) cuyas características (principalmente su masa) las hacen buenas candidatas a ser identificadas como bosones de Higgs. Esto es: Han encontrado partículas nuevas que tienen un 99% de posibilidades  de ser este bosón esquivo lo que, evidentemente, supondría validar décadas de teorías físicas sobre el Universo que nos rodea.