Aparece, por fin, el bosón de Higgs

El 4 julio del 2012, los físicos de CMS y ATLAS, los dos mayores experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ubicado en el CERN, cerca de Ginebra, en Suiza, confirmaban emocionados la existencia de una partícula que coincidía con la descripción teórica del bosón de Higgs. El hallazgo «bendecía» los conocimientos actuales sobre el mundo subatómico y, por fin, permitía explicar cómo el resto de partículas elementales obtiene su masa. Los científicos asumen que existe un campo energético que permea todo el Universo, el campo de Higgs, por donde las partículas se mueven como los peces lo hacen en el agua. Cuanto mayor es la partícula, más resistencia encuentra al moverse. Así, colisionan con los famosos bosones, que les confieren la materia. En definitiva, el Higgs es lo que hace que los objetos tengan masa, desde el más diminuto guijarro de un río hasta la estrella más colosal, incluidos, por supuesto, nosotros mismos. Sin él, el Universo sería muy diferente al que conocemos. 

Echar un vistazo al bosón de Higgs ha requerido la participación de miles de investigadores y una inversión de al menos 5.500 millones de dólares. Aún no está claro a dónde conducirá este descubrimiento en el campo de la física, pero su impacto es innegable.

¿Qué es un bosón?
Hay dos tipos de partículas elementales en la naturaleza. Los más familiares son los fermiones, que están relacionados con la materia y que incluyen los electrones y quarks que forman los átomos; el cuerpo humano, por ejemplo, está hecho de fermiones. Menos conocidos, pero igualmente importantes, son los bosones, que están relacionados con las fuerzas; el fotón, por ejemplo, es el portador de la fuerza electromagnética.




¿Qué es el bosón de Higgs?
Es una partícula elemental relacionada con la masa. Su existencia fue predicha en los años 60 por distintos físicos teóricos, entre ellos el escocés Peter Higgs. Razonaron que la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil son dos caras de una misma fuerza, llamada electrodébil.

Las predicciones derivadas de este razonamiento han sido confirmadas en múltiples experimentos. Pero el razonamiento planteaba un problema: no podía explicar por qué el fotón (portador del electromagnetismo) no tiene masa, mientras que los bosones W y Z (portadores de la fuerza débil) son extraordinariamente masivos.

Para resolver el problema, se propuso una elegante solución teórica: del mismo modo que existe un campo electromagnético del que dependen las propiedades eléctromagnéticas de las partículas, existe un campo de Higgs del que depende su masa.

Así, los bosones W y Z tendrían una gran masa por su fuerte interacción con el campo de Higgs, mientras que el fotón no tendría masa porque no interactúa con este campo (igual que hay partículas sin carga eléctrica que son ignoradas por el campo electromagnético).

Si la solución es correcta, tiene una consecuencia importante: todos los campos de fuerza cuánticos (como el electromagnético) deben tener una partícula asociada; de modo que, si existe un campo de Higgs, debe existir también un bosón de Higgs.

Contrariamente a una idea extendida, esta partícula no es lo que da masa a otras partículas; lo que les da masa –si la teoría es correcta- es su interacción con el campo de Higgs. La existencia del bosón de Higgs (o su inexistencia) puede demostrarse experimentalmente en un acelerador de partículas como el LHC. Por lo tanto, esta partícula es la clave para demostrar la existencia del campo de Higgs y para comprender por qué la materia del Universo, así como algunos bosones, tienen masa.

¿Por qué es tan importante?
La importancia del bosón de Higgs va más allá de comprender la masa. Es la única partícula del llamado Modelo Estándar –la teoría física que explica las partículas y sus interacciones- cuya existencia aún no se ha podido demostrar experimentalmente.

Es la principal pieza que falta para completar el puzle. Si se descubre, significará que la teoría actual que explica el Universo, aunque incompleta, es probablemente correcta. Si no se descubre, obligará a reconsiderar todo lo que se ha hecho en el último medio siglo en física de partículas.

¿Lo han visto o no lo han visto?
El bosón de Higgs no se puede observar directamente con la tecnología actual ya que, si existe, es una partícula inestable que se desintegra en una fracción de segundo dando lugar a otras partículas. Por lo tanto, se intenta deducir su existencia de manera indirecta.

En el acelerador LHC primero se provocan colisiones de protones a altas energías con la esperanza de que el bosón de Higgs se materialice a partir de la energía liberada en algunas de estas colisiones (la energía se puede convertir en materia, y viceversa, cumpliendo la ecuación de Einstein E=mc2).

Después se detectan las partículas generadas a raíz de las colisiones y se intenta deducir si entre la colisión inicial y las partículas finales se ha formado un bosón de Higgs como paso intermedio.  del
Sin embargo, distintos fenómenos, con y sin Higgs, pueden dar lugar a unas mismas partículas finales. Por lo tanto, los físicos nunca pueden saber si se ha formado el bosón en una colisión concreta, sino únicamente la probabilidad de que se haya formado el bosón. Estudiando un número de colisiones suficientemente alto, la probabilidad puede llegar a ser tan alta que se considerará probada –o no- la existencia bosón.