Campos cuánticos, simetrías y el bosón de Higgs

El pasado martes 12 de febrero el Dr. José Ignacio Illana, profesor titular del departamento de Física Teórica y del Cosmos venía a nuestro instituto a pronunciar una conferencia sobre un tema de máxima actualidad e interés: el bosón de Higgs y su importancia dentro de la física.

Inició su charla haciendo referencia a qué es la ciencia y en qué consiste el método científico. Habló a continuación acerca de la materia, de cuáles son las partículas que la componen y las fuerzas mediante las que éstas interaccionan: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. La primera es muchísimo más débil que las otras tres en el mundo subatómico; sin embargo, es la que gobierna el cosmos. Las demás se estudian tanto en los aceleradores de partículas como en los rayos cósmicos. En los primeros, generalmente protones y/o electrones se aceleran a velocidades próximas a la de la luz dotándolos de una gran energía. La energía disponible en la colisión da lugar a la formación de nuevas partículas elementales gracias a la equivalencia entre masa y energía que predice la famosa ecuación de Einstein.

Comentó que los pilares de la física actual son la teoría de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica, que combinadas dan lugar a la teoría cuántica de campos. Tras explicar qué es un campo, comentó que las partículas se entienden como vibraciones o excitaciones de los campos cuánticos, las cuáles pueden ser de dos tipos: de materia y de interacción. Entre las primeras están las partículas con masa como los quarks o los leptones; entre las segundas están los fotones, los gluones sin masa de las interacciones electromagnética y fuerte respectivamente y los gluones W y Z con masa de las interacciones débiles.

Planteó a continuación qué es la masa, una medida de lo que cuesta ser acelerado, y explicó cómo el 99% de la masa de los protones se explica en términos de la energía que mantiene unidos a los quarks que los forman, mientras la masa de estos constituyentes elementales sólo representa un 1%. Y a esta cuestión de qué es la masa de las partículas elementales, que consideramos puntuales, es a lo que responde el campo de Higgs.

Higgs se basa en la simetría, un elemento muy importante y frecuente en la naturaleza. Sin embargo, es en las leyes básicas de la física donde hay que buscar la simetría más profunda de la naturaleza. Una ecuación es simétrica si queda invariante, es decir, sus soluciones son las mismas cuando se hace alguna transformación matemática a los parámetros de los que depende. Y por cada simetría que existe en las leyes físicas hay una magnitud que se conserva. Un ejemplo de ello es el principio de conservación de la energía, basado en la simetría bajo traslaciones temporales. Además si se imponen unas sencillas simetrías internas a las ecuaciones (invariancia bajo ciertas transformaciones de los campos) se obtienen inmediatamente todas las interacciones fundamentales que conocemos. Sin embargo, esta sugerente idea parece no realizarse en la naturaleza porque requiere que todos los campos carezcan de masa, y sabemos que muchos de ellos son masivos. El mecanismo de Higgs, basado en la llamada rotura espontánea de la simetría, permite entender qué es la masa sin renunciar a este principio de simetría que dicta la forma de las interacciones, en el que se basa el modelo estándar de la física de partículas.

El Dr. Illana destacó que la idea consiste en introducir nuevos campos, cuya configuración es tal que su estado de mínima energía no sea único, sino un conjunto de ellos, todos conectados con la simetría. Es algo parecido a lo que ocurre cuando dejamos una bolita (en equilibrio inestable) sobre la copa de un sombrero mejicano, como el de la figura adjunta. La situación es perfectamente simétrica, pero la bolita caerá espontáneamente a un estado de mínima energía, que puede ser cualquier punto en la base del ala del sombrero. Recordemos que las partículas (de cualquier campo) son excitaciones sobre el estado de mínima energía, que llamamos el vacío. En el caso de la figura tenemos dos campos, cuyas excitaciones son de dos tipos: unas a lo largo de la base del ala (que no cuestan esfuerzo) correspondientes a una partícula sin masa, y otras en dirección radial (que cuestan esfuerzo) correspondientes a una partícula con masa. Si la simetría que el vacío rompe espontáneamente es de las que da lugar a interacciones, entonces estos campos que hemos introducido se llaman genéricamente campo de Higgs y ocurre lo siguiente: el campo de interacción asociado a la simetría rota adquiere masa (decimos que engorda al comerse a la excitación sin masa del campo de Higgs, que desaparece) y existirán además excitaciones con masa del campo de Higgs, los bosones de Higgs que son la pista que hay que encontrar. Eligiendo convenientemente la configuración del campo de Higgs se logra en el modelo estándar que se rompa espontáneamente la simetría electrodébil, con lo que los bosones W y Z de la interacción débil adquieren masa mientras que el fotón queda sin ella. Los gluones están asociados a una simetría que no está rota. Las partículas de materia también adquieren masa al interaccionar con el campo de Higgs. 

Para aclarar esto, el Dr. Illana asemejó el vacío a una habitación llena de gente (el campo de Higgs). Alguien no muy conocido (una partícula con poca masa) se puede mover con facilidad entre la gente. Si es una persona famosa (una partícula con mucha masa), le costará atravesar la habitación, tanto más cuanto más famoso sea, es decir, cuanta más interacción haya. Si en esa reunión se dice que viene alguien importante, se produce una excitación que se propaga como si de una persona se tratara y esta excitación es el bosón de Higgs, que tiene cierta masa no predica por la teoría.

Y esto es lo que se busca en el CERN. El bosón de Higgs es muy difícil de detectar ya que únicamente se produce en una de cada 100.000 millones de colisiones y cuando se forma se desintegra muy rápidamente. Sin embargo el modelo estándar predice en qué partículas se desintegra y en qué proporción aparecen. Y esto es lo que hay que buscar.
Lo que se ha encontrado es una nueva partícula con propiedades compatibles con las del bosón de Higgs; la probabilidad de que se trate de una fluctuación estadística es despreciable. Pero todo esto no acaba aquí; los hallazgos realizados en el CERN podrían llevar al descubrimiento de nuevas partículas que nos ayudarían a entender ese 96% del universo constituido por materia y energía oscuras de las que todavía no se sabe casi nada.

La conferencia fue grabada por Canal Sur TV como parte de un reportaje sobre el bosón de Higgs en el que interventrán algunos de los alumnos y alumnas de nuestro instituto. 

Nuestro más sincero agradecimiento al Dr. José Ignacio Illana tanto por su magnífica conferencia como por la revisión de este texto.