El Bosón de Higgs

No perdamos el tiempo! y empecemos por lo básico. La manera moderna de entender las partículas y las interacciones es a través de la teoría cuántica de campos: hay campos que llenan todo el universo las partículas son perturbaciones dentro de ellos, ¨ondas¨ que se propagan, como las olas que aplican la superficie del mar. 

Cada partícula está asociada a un campo. Así, si añadimos energía al campo del electrón (lo ¨excitamos¨), obtenemos una partícula: un electrón. Ahora, ¿cómo podemos añadir energía a un campo? Aquí entran las tres interacciones, los campos que conectan unas partículas con otras. Y, como buenos campos, también tienen sus propias excitaciones; partículas que transmiten esas fuerzas. Y es que hoy en día entendemos las interacciones como el intercambio de ¨partículas mediadoras¨ Aquí viene la ristra de nombrecitos: la fuerza electromagnética está mediada por fotones, la fuerza fuerte (que mantiene pegados a los protones y neutrones) está mediada por gluones y la fuerza débil (que transmuta, por ejemplo, electrones en neutrinos) está mediada por los bosones W+ W- y Z. Antes, la fuerza electromagnética se explicaba mediante una especie d  e telequinesis, de acción a distancia. 

Ahora, cuando dos cargas interactúan, pensamos que las dos se intercambian fotones, las partículas que ¨transportan¨ el momento de una a otra. Para entenderlo, podemos pensar en dos patinadores que están uno frente a otro, en una pista de hielo. Si un patinador le tira al otro una bola de nieve, ambos saldrán despedidos hacia atrás. Esa es nuestra manera de entender una interacción repulsiva, como la que ocurre entre dos partículas con la misma carga eléctrica. Además, cuanto más grande y pesada sea la bola de nieve, más cerca tendrán que estar los patinadores: si están muy lejos, la bola no llegará de un patinador a otro y no sentirán ninguna repulsión. Es por esto que tardamos tanto tiempo en saber que la Fuerza Civil existía. Los fotones no tienen masa, esas bolas de nieve pueden actuar a distancias infinitas. Por eso electromagnetismo se nota nuestras escalas. Mientras, las interacciones débiles solo actúan a distancias muy pequeñitas, por lo que las partículas que la transmiten tienen que ser muy masivas. 

Efectivamente los W+, W- y el Z tienen bastante masa. Pero, ¿por qué? Esta pregunta nos llevará al descubrimiento del Higgs. Y para ello, tenemos que ir a la piedra angular de la física de partículas modernas: la simetría Gauge. Pensemos en este electrón, propagándose, según las reglas de la mecánica cuántica, sin una posición definida hasta que lo medimos. Como explicamos anteriormente, en física cuántica los sistemas se describen mediante su función de onda. Para visualizarla, podemos pensar que en cada punto hay una flecha que apunta hacia algún lugar y tiene un cierto tamaño. Cuanto más grande, más probabilidades habrá de detectar el electrón ahí. Ahora bien, lo importante de esas flechas (y lo que nos permite decir dónde vamos a detectar el electrón) es su longitud, no donde apunten. Es decir, que si decido girar todas las flechas a la vez, el resultado debería ser el mismo. Y eso debería pasar incluso si giro cada flecha una cantidad distinta. Lo más seguro es que encuentren el electrón aquí. Y esto huele a simetría. Del mismo modo que darle media vuelta a un cuadrado nos deja un cuadrado idéntico (es simétrico), al electrón le debería pasar lo mismo solo que con este tipo de ¨vuelta,¨ una de las manifestaciones de la simetría Gauge. Girar cada flecha una cantidad cualquiera debería mantener el sistema igual. Sin embargo, las ecuaciones no parecían reflejar esto. Así que, para que se cumplieran la simetría Gauge, los físicos tuvieron que añadir un nuevo campo a las ecuaciones. Esto es lo alucinante, resulta que ese campo que introdujeron pensando tan solo en simetrías tiene justo las características que esperaríamos del campo electromagnético. Sus excitaciones dan lugar a partículas sin masa: los fotones. Todo cuadraba la perfección. Animados por este éxito, intentaron encontrar para la interacción fuerte una teoría cuántica de campos que también respetara otro tipo de simetría Gauge. Así se planteó la existencia del gluón, y (aunque en realidad la historia es más rocambolesca) de ahí también todo éxitos. Así que para la interacción débil se siguió el mismo procedimiento: buscar una teoría basada en una simetría Gauge. Y obtuvieron algo mejor: la teoría electrodébil, que explicaba al mismo tiempo las fuerzas débiles y las electromagnéticas. 

Pero había un grave problema: en las teorías Gauge, las partículas que transmiten las interacciones tienen que ser partículas sin masa, sino romperían la simetría que hemos usado para obtener la teoría. La teoría electrodébil a la que llegaron los físicos tenían cuatro partículas mediadoras sin masa. Pero ya hemos visto que para explicar el corto alcance de las interacciones débiles necesitamos partículas mediadoras muy masivas (no vivimos en un mundo en el que el gato se transmuta de repente en una masa radiativa). Así que, ¿Cómo escapar de este callejón sin salida? aquí va. A veces una teoría puede ser simétrica con respecto a unas transformaciones (como el giro del cuadrado o el cambio de dirección de las flechas), pero, en ciertas condiciones, los sistemas descritos dejan de serlo. 

Dejadme que ponga un ejemplo: un imán. Podemos pensar que está formado por un conjunto de pequeños imanes que, a temperaturas altas, están orientados al azar: no existe ninguna dirección preferida, por lo que podemos rotar el material sin que nada cambie. Sin embargo, por debajo de una cierta temperatura, los pequeños imanes se alinean. Ahora cuando lo giramos las cosas cambian| Decimos entonces que la simetría de rotación se ha roto de manera espontánea.

 Lo mismo ocurriría en una mesa redonda donde cada comensal tuviera un panecillo a la izquierda y otro a la derecha. ¿Cuál es el de cada uno? Nadie lo sabe. En principio, la situación es completamente simétrica, pero si un comensal intrépido se decide por uno de los dos panecillos, todos los demás se verán obligados a hacer lo mismo y el reparto estará claro. La simetría se habrá roto de forma espontánea. 

A esto quiero llegar: Podríamos usar esta idea: de ¨ruptura espontánea de simetría¨ para quitarnos la simetría Gauge de las partículas mediadoras de la interacción débil y conseguir ¨darles¨ masa. Bueno, técnicamente no estaríamos rompiendo la simetría Gauge (lo cual no es posible), sino una parte de ella. Eso bastaría para que la masa apareciera. Os ampliamos este y otros detallitos en la documentación. 

Y para que surja esta ruptura hace falta un ¨comensal intrépido,¨ un nuevo campo. El campo de Higgs, pero antes tenemos que hablar sobre su ¨estructura interna¨: imagina una pelota que rueda por la ladera de una montaña. En el punto más alto, la pelota tiene un montón de energía potencial gravitatoria, energía que quiere libera. Si la sueltas rodará hacia abajo buscando reducir esa energía. Así pues, la energía potencial de la pelota depende de su posición y va disminuyendo a medida que cae por el valle. 

De hecho, si representamos la energía potencial de la partícula, tendrá exactamente la misma forma que el valle. Un campo también tiene una cierta energía potencial interna. Esa energía tiene que ver con las interacciones del campo consigo mismo y depende del valor que toma el propio campo. Al igual que la pelota, el campo lo que busca es minimizar la energía potencial, encontrar ese estado de equilibrio. Luego, podemos pensar que el campo también es una bolita que cae por un valle, que representa su energía potencial o (simplemente su ¨potencial¨). El punto más bajo corresponde al estado de mínima energía y se denomina vacío (el ¨mar en calma ¨).  Las fluctuaciones del campo en torno al vacío son las que producen las partículas del campo. Ahora bien, el potencial de un campo puede tomar formas más o menos complicadas. 

Supongamos uno que es como una montaña rodeada de dos valles, uno a cada lado. Ese potencial es claramente simétrico con respecto a una vertical que pase por el centro. Nuestro campo es un escalador que está en lo alto de la montaña. Lamentablemente, se cae y rueda por una de las laderas. Ahora la situación ya no es simétrica. 

Las montañas lo siguen siendo, así que las ecuaciones de la teoría también lo son. Pero al caer a uno de los dos valles, el campo ha roto la simetría de manera espontánea. En realidad el potencial del Higgs es más complejo, tiene ¨tres dimensiones¨ No presenta dos valles, sino uno solo con forma de anillo: tiene forma de sombrero mexicano, o de culo de botella de cava. El caso es que, después de caer, el escalador puede hacer dos cosas distintas: intentar subir por la ladera de la montaña o recorrer el valle.

Cada uno de esos movimientos corresponde a un tipo de fluctuación del campo y como ya hemos dicho esas fluctuaciones dan lugar a partículas para subir la ladera hace falta energía y eso se traduce en que la partícula que aparece tiene masa: se trata del famoso bosón de Higgs. Pero para solucionar nuestro problema con la teoría electrodébil lo que realmente nos interesa son los movimientos a lo largo del anillo. Esas fluctuaciones no requieren energía (tienen lugar a lo largo de una dirección ¨plana,¨ en la que el escalador no tiene que subir), así que darán lugar a partículas sin masa. 

Aunque no podamos visualizarlo, las matemáticas del asunto hacen que en realidad haya tres direcciones planas, con lo que obtendremos tres partículas sin masa. Estas partículas se llaman bosones de Golstone. Estos señores van a ser los ¨catalizadores¨ de la magia del Higgs. Pero, para explicar cómo, hagamos un interludio: hablemos de terremotos. 

En un terremoto la tierra tiembla. Pensad en todos los átomos que forman el suelo, conectados unos con otros por las fuerzas electromagnéticas, como si de muelles se tratasen. Una vez se produce el terremoto, podemos imaginar un átomo empujando a otro, que a su vez empuja a otro, que a su vez empuja a otro propagando la vibración a través de la tierra. Esto es una onda, pero de un tipo concreto. 

Cuando los átomos del suelo se mueven en la misma dirección, la de propagación de la onda, decimos que tenemos una onda longitudinal. Los geólogos las llaman ondas P. Ahora, hay otro tipo de vibración. No penséis en el átomo que está empujando sino en los que hay a su alrededor. Todos están conectados por esas fuerzas, por esos muelles, así que se ven arrastrados por el movimiento del átomo. Y al moverse ellos, mueven al átomo contiguo, y ellos al siguiente, y el siguiente, al siguiente. Otra onda. Pero esta vez, y aunque la onda se propaga en una cierta dirección, los átomos no se mueven en la misma, sino en una dirección perpendicular: tenemos una onda transversal (lo que los geólogos llaman ondas S). 

Fijaos que las ondas transversales tienen más variedad que las longitudinales. Estas últimas impresiones son de la misma forma: átomos empujando a otros átomos en el mismo sentido, en el de propagación de la onda. Las transversales pueden provocar esta ola así, o así, o así. Tienen dos dimensiones de posibilidades: esta es la libertad de la polarización. Esto de aquí es polarización vertical, esto de aquí es polarización horizontal o puedes mezclar ambas como polarización circular. 

Así que un terremoto (simplificadamente) es una mezcla de ondas P y ondas S; una vibración tanto longitudinal como transversal. Tres dimensiones de vibración. Si queréis verlo así, 3 polarizaciones. Y si un montón de átomos conectados pueden dar lugar a 3 polarizaciones, un campo como el electromagnético también debería poder. Y si nuestras partículas son las vibraciones de ese campo, podemos preguntarnos ¿qué polarización tienen? ¿en qué direcciones vibran? Bien, la luz!  Los fotones que forman la luz solo vibran transversalmente. Seguro que habéis visto el truco de usar dos gafas de sol para bloquear el 100% de la luz: eso solo puede ocurrir si los fotones tienen únicamente dos polarizaciones. Una gafa bloquea la vertical otra gafa la horizontal y listo: 0 fotones. Si hubiera una componente longitudinal seguiríamos viendo algo. La luz vibra en solo dos direcciones. Y, sorprendentemente, el motivo es profundamente teórico: es culpa de que la luz no tenga masa. 

La regla es que si no tienes masa, las partículas que emergen no vibran longitudinalmente. Esto es algo que otras partículas también cumplen. Y esto nos lleva (por fin) a la teoría electrodébil. Volvemos a las cuatro partículas sin masa que los físicos habían encontrado a través de la simetría Gauge. Ok, si no tienes componente longitudinal no tienes masa (es el caso de estas cuatro) pero si pudieran ¨ganar¨ una polarización más, ocurriría lo contrario. Adquirirían masa. Aquí es donde entra el Higgs. Lo logran precisamente a costa de los bosones de Goldstone del campo de Higgs, que les aportan una polarización extra y a cambio desaparecen de la teoría. 

Podemos pensar que las partículas mediadoras se zampan a los bosones de Goldstone y (al igual que nosotros podemos ganar unos kilitos si nos pegamos un buen banquete) eso hace que se vuelvan masivas. Pero dado que hay cuatro tragaldabas y tan solo 3 víctimas, tres bosones de Goldstone, una de las partículas mediadoras se queda sin masa. Esa partícula es precisamente el fotón, la luz. Así pues, a modo de resumen, introducir un campo de Higgs con un potencial determinado permite romper la simetría de manera espontánea, generar bosones de Goldstone que se combinan con tres de las cuatro partículas mediadoras, las dotan de una polarización longitudinal y, por tanto, de masa. Masa que vemos en los experimentos (además de generar una nueva partícula, el bosón de Higgs). 

Todo esto es justo lo que se conoce como mecanismo de Higgs. Y tengo que decir que este mecanismo no estaba ¨activo¨ en toda la historia del cosmos. En los albores del universo, la densidad de energía era tan alta que el campo de Higgs vivía tranquilo en la cima de su montaña. La simetría no estaba rota, por lo que las cuatro partículas mediadoras existían sin masa. No había una diferencia entre el electromagnetismo y la interacción débil: había una única interacción electrodebil. Pero cuando el cosmos se enfrío por debajo de una cierta temperatura (de unos mil billones de grados), la simetría se rompió y pasamos a tener una interacción electromagnética de largo alcance y una débil de corto alcance, que es lo que vemos ahora. Pero, ojo, todavía no hemos acabado. Eso explica la masa de las partículas que transmite la interacción débil, pero, ¿cuál es el origen de la masa de los Fermiones, las partículas que forman las cosas, como los electrones o los quarks? 

Pues, la clave también está en el campo de Higgs! Ya hemos hablado sobre cómo las partículas pueden tener polarizaciones. Pues bien, también pueden ser diestras o zurdas. Me llevaría un buen rato hablaros en profundidad de esta propiedad: la quiralidad; es ¨el qué ocurre¨ cuando vemos reflejado un objeto en un espejo. Por ejemplo, al mirarnos en un espejo, nuestra mano izquierda se convierte en la derecha. Tus pulseras ya no se leen y tus lunares cambian de sitio. Claramente, una mano no es idéntica su reflejo. En cambio, la imagen de un vaso que nos devuelve un espejo es indistinguible del vaso original. Así que las manos son quirales, y el vaso, no. Al igual que pasa con el espín, la quiralidad es una característica intrínsecamente cuántica de las partículas que se ajustan a esta idea intuitiva. 

Da lugar a dos tipos de partículas. El objeto y su imagen en el espejo. Partículas zurdas y partículas diestras. La pregunta es ¿tiene todo esto alguna consecuencia observable? Pues lo curioso es que la naturaleza no es ambidiestra: las cosas zurdas y las diestras no se comportan igual. Esto lo saben muy bien quienes desarrollan fármacos: a veces una molécula posee un efecto beneficioso y su imagen especular no, a pesar de tener los mismos átomos. 

Y con los fermiones del modelo estándar sucede lo mismo: la fuerza débil no trata igual a las partículas zurdas y a las diestras. Y eso es debido a que solo las zurdas tienen ¨carga débil, ¨una propiedad que permite sentir cierto tipo de interacciones débiles (igual que la carga eléctrica permite sentir la interacción electromagnética). A efectos de la fuerza débil, un electrón zurdo y uno diestro son partículas distintas. 

Luego, los quarks y los electrones que forman la materia tienen dos versiones: una zurda y una diestra. Y (este es el punto importante) cuando interaccionan con el campo de Higgs, cambian de versión: un electrón zurdo se convierte en uno diestro, y al revés. Eso es posible porque el campo de Higgs también tiene carga débil, así que puede absorber la carga de las partículas zurdas para convertirlas en diestras. 

Fijaos en lo raro que es esto: estamos diciendo que interactúan con el campo de Higgs, no con el bosón de Higgs. ¿Por qué pasa esto? Mientras el campo de Higgs está en lo alto de la montaña, vale cero. Pero cuando cae a uno de los valles adquiere un valor no nulo: decimos que tiene un cierto ¨valor esperado en el vacío,¨ algo que no ocurre con otros campos como el del electrón. Eso implica que el campo de Higgs siempre está ¨activado¨ en todo el espacio y las partículas interactúan con él. 

Es como si el campo de Higgs fuera un inmenso pinball, donde van chocando las partículas, y a cada choque, cambian de quiralidad. Y aunque entre choque y choque se muevan a la velocidad de la luz, por estar inmersas en este pinball, tienen una especie de ¨velocidad promedio¨ más baja !como si tuvieran masa! Cada partícula interactúa más o menos con el campo de Higgs y eso hace que adquieran más o menos masa. Y las partículas que no tienen carga débil, como los fotones, no interactúan con él y se quedan sin masa. 

Incluso la masa del bosón de Higgs proviene de aquí: de las interacciones con su propio campo! Esta sería la manera en que el campo de Higgs da masa las partículas, en este caso a los fermiones. Y fijaos en una cosa curiosa: ya hablamos anteriormente, que la masa es una propiedad emergente, algo que surge cuando ¨atrapamos.¨ Desde este punto de vista, con la masa de las partículas fundamentales pasaría lo mismo, lo que tenemos es una masa emergente relacionada con la energía de interacción de la partícula con el campo de Higgs. Sería algo que aparece cuando ¨atrapamos¨ la partícula en un espacio impregnado por el campo de Higgs. Ni siquiera la masa más elemental se escapa. Los físicos confiaban bastante en todo este mecanismo, pero faltaba que los experimentos dijeran algo. 

El 4 de julio de 2012, al detectar el bosón de Higgs (la ¨ola¨ que se propaga en el campo de Higgs) tuvieron su confirmación. Pero, en este tema, no está todo resuelto. Aún quedan misterios de la masa: Algunas de las propiedades del Higgs todavía se están midiendo y hay que comprobar si encajan con la teoría. También, el mecanismo queda más a los fermiones no parece explicar la del más ligero de ellos: El neutrino. Todos los neutrinos parecen ser zurdos. No hay diestros. Y eso les impide interactuar con el campo de Higgs. Este pinball no puede dotarlos de masa. Sin embargo, sabemos que los neutrinos sí tienen masa. Increíblemente pequeña pero la tienen, así que, ¿de dónde sale?. No sabemos si acabaremos descubriendo los neutrinos diestros o si hará falta uno nuevo mecanismo para explicar su masa. Quién sabe qué nuevo nivel de complejidad esconderá algo que parece tan sencillo como unos números en una báscula. Y ya saben si quieres más ciencia otro día continuaremos