¿Qué es el Bosón de Higgs?

4 de julio de 2012. El CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) anuncia el descubrimiento de una partícula detrás de la que llevábamos casi 50 años. Una partícula que permitía explicar el origen de la existencia del Universo. Una partícula cuyo descubrimiento acababa de constituir uno de los mayores hitos de la historia no solo de la física, sino de la ciencia en general.

Estamos hablando, evidentemente, del bosón de Higgs. O, como lo llamó la prensa en una estrategia fantástica (pero cuestionada por los físicos) de marketing: la partícula de Dios. Con un nombre que hace referencia a Peter Higgs, el científico que propuso su existencia en el año 1964, esta partícula permite explicar la naturaleza fundamental de la masa de las partículas que conforman la materia del Cosmos.

Y después de tanto tiempo desde que propusiera su existencia y más de tres años de experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones, se confirmó la existencia de esta partícula que hizo que la última pieza del puzzle dentro del modelo estándar encajara.

Pero, ¿qué es el bosón de Higgs? ¿Por qué su descubrimiento fue tan importante? ¿Qué pasaría si no existiera esta partícula? ¿Y qué tiene que ver con el campo de Higgs? Si quieres encontrar respuesta a estas y otras muchas fascinantes preguntas, estás en el lugar adecuado. En el artículo de hoy nos sumergiremos en los misterios de “la partícula de Dios”.

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Fermiones y bosones: el problema del origen de la masa

Antes de entrar en profundidad a analizar la naturaleza e importancia del bosón de Higgs, es esencial que nos pongamos en contexto y entendamos por qué fue necesario proponer su existencia. Y para ello, debemos plantear el problema: no entendíamos el origen de la masa.

En la segunda mitad del siglo XX, termina de desarrollarse el modelo estándar de la física de partículas, uno de los mayores logros de la historia de la ciencia. En este modelo, tenemos todas las partículas subatómicas que explican tanto la naturaleza elemental de la materia como el origen fundamental de las fuerzas o interacciones fundamentales, valga la redundancia.

Como bien sabemos, en este modelo estándar están incluidos protones, neutrones y electrones, que son las partículas que constituyen los átomos. Pero no son las únicas. Tenemos también los quarks (las partículas elementales de los protones y los neutrones), los muones, los tay, los gluones y, como veremos, el bosón de Higgs. Entre otros.

El modelo estándar permitía explicar de forma casi perfecta la naturaleza elemental de la materia y de las fuerzas, dividiendo a las partículas subatómicas en dos grandes grupos:

Fermiones: Las partículas que componen la materia. Todo aquello que vemos en el Universo. Desde nuestro cuerpo hasta una estrella. La materia son fermiones, que, a su vez, se dividen en dos familias: quarks (hay seis tipos y los up y down dan lugar a los protones y los neutrones) y leptones (electrones, muones y tau). La materia nace de la combinación de estos fermiones.
Bosones: Las partículas que ejercen las fuerzas fundamentales. No componen la materia pero sí que hacen que surjan las interacciones: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte. Y hasta el descubrimiento del bosón de Higgs (se ha teorizado la existencia del gravitón para explicar la gravedad), teníamos los siguientes: fotón, gluón, bosón Z y bosón W.

Y es ahora, con estos bosones, que debemos detenernos un momento y hablar de cómo el modelo estándar permite explicar todas (o casi todas) las fuerzas fundamentales del Universo. Los fotones permiten explicar el origen cuántico del electromagnetismo (interacción entre partículas cargadas eléctricamente de forma distinta y repulsión entre partículas con la misma carga). Los gluones, de la fuerza nuclear fuerte (la que une los protones y los neutrones en el núcleo del átomo). Y los bosones Z y W, de la fuerza nuclear débil (la que permite la desintegración beta de los neutrones).

En este sentido, más allá de que la gravedad no encajaba (y sigue sin encajar), el modelo estándar era perfecto, ¿no? No. Y en los años 60, nos topamos con un callejón sin salida. Una paradoja que nos impedía entender el origen de la masa de las partículas.

De acuerdo a la propia teoría del modelo estándar, los bosones no deberían tener masa. Y esto se cumple con los fotones. Pero no con los bosones Z y W. Eran partículas masivas. Pero si eran partículas masivas, por matemáticas, su interacción debía tener un alcance infinito. Y la fuerza nuclear débil era, como su nombre indica, débil.

Los físicos no sabían cómo resolver esto. No entendíamos de dónde venía la masa de la materia. La masa no parecía una fuerza. Parecía algo intrínseco a las partículas. Pero si era algo intrínseco, las matemáticas del modelo estándar se derrumbaban.

Por suerte, en 1964, tres grupos de físicos publicaron, de forma independiente, soluciones a este problema. Y uno de estos estudios, el último en publicarse, bajo el nombre de “Broken Symmetries and the masses of gauce bosons” y firmado por Peter Higgs, llamó especialmente la atención.

Peter Higgs (Reino Unido, 1929), físico británico, en un corto artículo, estaba proponiendo la existencia en el Universo de lo que él bautizó como “Campo de Higgs” y explicando el origen de la masa de los bosones W y Z. Dijo que, en efecto, estos bosones no tenían masa. Se la concedía una partícula: el bosón de Higgs. La partícula de Dios.

Para saber más: “Los 8 tipos de partículas subatómicas (y sus características)”

El campo de Higgs: un océano en el Universo

Después de la introducción, estamos más que preparados para sumergirnos en la naturaleza del bosón de Higgs y de lo que, como veremos, es verdaderamente importante: el campo de Higgs. Y para entender algo tan complejo como esto, lo mejor es una analogía.

Piensa en los peces del mar. Ellos han vivido, viven y vivirán siempre en un medio acuático. El agua es un medio que los rodea y que, en cierto modo, constituye su Universo. Los impregna y los rodea. Su Cosmos es el agua. El océano.

Y aunque esté ahí, los peces ni siquiera lo perciben. Ha estado con ellos desde el principio, por lo que no saben que están dentro de un medio. Con el campo de Higgs, nos podría estar pasando exactamente lo mismo. Nosotros, la Tierra, los planetas, los asteroides, las estrellas y hasta la última partícula de materia que existe seríamos los peces. Y el campo de Higgs, el océano. Y después de esta metáfora, tenemos que ponernos ya más técnicos y hablar de la Teoría Cuántica de Campos.

La Teoría Cuántica de Campos: perturbaciones, partículas y fuerzas

La Teoría Cuántica de Campos es una hipótesis cuántica relativista que describe la existencia de las partículas subatómicas y la naturaleza de las cuatro fuerzas fundamentales como el resultado de las perturbaciones en unos campos que impregnan todo el espacio tiempo.

Es decir, debemos dejar de pensar en las partículas subatómicas como esferas macizas y empezar a hacerlo como manifestaciones o perturbaciones puntuales dentro de estos campos cuánticos, que serían una especie de telas capaces de sufrir fluctuaciones.

Cada partícula estaría asociada a un campo cuántico concreto. Tendríamos un campo de electrones, uno de quarks, uno de muones, uno de fotones, uno de gluones, uno de bosones Z, uno de bosones W… Y así con todo el modelo estándar. Las partículas, pues, serían vibraciones puntuales dentro de estas telas que impregnan todo el espacio tiempo. Cualquier partícula es una perturbación local en su campo cuántico.

Y no solo permite explicar la existencia de las partículas, sino el origen de las fuerzas fundamentales. Estas serían fenómenos de comunicación entre diferentes campos cuánticos. Es decir, las interacciones fundamentales se deben a intercambios de partículas mediadoras (los bosones) a través de la transferencia de perturbaciones entre distintos campos.

Y en este sentido, lo que Peter Higgs propuso en 1964 es que debía haber un campo que había pasado inadvertido pero que estaba ahí, impregnando todo el Universo y explicando el origen de la masa: el campo de Higgs. Y, fruto de las perturbaciones en él, nace el bosón de Higgs.

Para saber más: “Teoría Cuántica de Campos: definición y principios”

¿Qué es el campo de Higgs?

El campo de Higgs es un campo cuántico, una tela que impregna todo el Universo, dando lugar a un medio que interactúa con los campos de otras partículas, aportándoles masa. Esta es la definición simplificada. Ahora entraremos más en profundidad.

De acuerdo a la teoría propuesta en 1964, el campo de Higgs sería un campo cuántico cuya simetría se rompió pocos instantes después del Big Bang, permitiendo así la aparición de la masa en el Universo. Cuando las partículas (que ya hemos dicho que son perturbaciones dentro de sus respectivos campos cuánticos) interaccionan con este campo de Higgs, encuentran cierta oposición al cambio de movimiento. Y esta es la clave de todo.

La masa es justo eso. Partículas siendo ralentizadas por el campo de Higgs. El Universo sería una especie de gelatina donde el campo de Higgs da una viscosidad en la que determinadas partículas lo tienen más o menos complicado para moverse. Y de esta ralentización, surge la masa.

La masa, pues, no es una propiedad intrínseca de la materia. Es una propiedad extrínseca que depende de cómo de afectada se vea dicha partícula por el campo de Higgs. En este sentido, las partículas con más afinidad (las que más interactúan) por el campo de Higgs son las más masivas; mientras que las que tienen menos afinidad son las menos masivas.

La masa es una manifestación del grado en el que una partícula encuentra obstáculo para moverse dentro de la gelatina del campo de Higgs. Los Top Quarks son las partículas más masivas del modelo porque son las que más interaccionan con este campo. Y los fotones, que no tienen masa, las que menos interaccionan con él.

Imagina que sales a pasear por una calle con mucha gente. Nadie te conoce. Pasas sin problemas. Nadie ralentiza tu movimiento. Pero ahora imagina que eres Cristiano Ronaldo. Todo el mundo va a ir hacia ti. Van a ralentizarte. La gente de la calle es el campo de Higgs, tú eres un fotón y Cristiano Ronaldo, un quark. Así de simple. Así de complejo.

Por ello, que los fermiones tengan masa y que, por tanto, la materia exista en el Universo, es gracias al campo de Higgs. Pero teníamos que descubrir, con experimentación, su existencia. Y aquí entra en juego el bosón de Higgs. Lo importante es el campo. El bosón es solo la pieza que debíamos buscar para estar seguros de que este campo existía. Y eso es precisamente lo que se propuso el CERN.

¿Por qué es tan importante el bosón de Higgs?

El bosón de Higgs es tan importante porque fue nuestra única forma de demostrar que el campo de Higgs existía. De que había una tela que impregnaba el Universo y que permitía explicar el origen de la masa de la materia.

Y, como hemos dicho, las partículas son perturbaciones dentro de un campo cuántico. Cuando el campo de los electrones se excita, tienes en un punto del espacio, un electrón. Así que si el campo de Higgs existe tiene que poder sufrir perturbaciones que se traducirán en la aparición momentánea de una partícula. Su partícula. El bosón de Higgs.

Ahora bien, para excitar este campo tan profundo se necesitaban unas energías alcanzables solo en el Gran Colisionador de Hadrones, la máquina más grande construida por la humanidad. Y tras recopilar datos durante tres años haciendo impactar, con energías de 7 teraelectronvoltios y 40 millones de colisiones por segundo, protones a una velocidad muy cercana de la luz, vimos que, en efecto, escondido en el espacio tiempo se encontraba ese campo de Higgs.

Encontramos una partícula sin espín y sin carga eléctrica con una vida media de un zeptosegundo (la miltrillonésima parte de un segundo) y que pudo confirmarse que era el cuanto del campo de Higgs. El bosón que nacía de una perturbación en este campo cuántico. Teníamos la partícula de Dios.

El 8 de octubre de 2013, 49 años después de que propusiera su existencia, Peter Higgs pudo levantar el Premio Nóbel de Física por haber descubierto la partícula que demostraba la existencia de un campo que impregnaba todo el Universo, que daba masa a las partículas elementales cuando interactuaba con ellas y que permitía que la materia existiera. No es la partícula de Dios. Pero sí la partícula gracias a la que todos estamos aquí. El campo de Higgs era la última pieza que faltaba encajar en el modelo estándar. Ahora, a seguir. Así es y debe ser la ciencia.