La partícula de Dios

En el año 2012, prensa e informativos de todas partes comunicaron al mundo con entusiasmo una gran noticia: el Colisionado de Hadrones del CERN había detectado, por fin, el bosón de Higgs. Alguien incluso llegó a hablar del descubrimiento de la «la partícula Dios».

ABC, 05/07/2012

Confirman la existencia del bosón de Higgs

Ante un auditorio abarrotado, en el que estaba Peter Higgs, el CERN ha confirmado el descubrimiento de la partícula que completa el Modelo Estándar de la Física.

El Mundo, 04/07/2012

Descubren la ‘partícula de Dios’ que explica cómo se forma la materia

La Vanguardia,  25/06/2012

La ciencia se acerca al Bosón de Higgs, la ‘partícula de Dios’

Nos mostraron este acontecimiento como algo insólito, perseguido durante décadas y que ponía al descubierto los misterios de la Creación. Parecía como si por fin se hubieran encontrado evidencias científicas de lo que sucedió en el Génesis.

Sin embargo, nadie entonces se detuvo a explicarnos qué es un colisionador de hadrones, qué es un bosón, quién es el señor Higgs y por qué el bosón que lleva su nombre se nos presentaba como el eslabón perdido de la Creación.

En colaboraciones anteriores hablábamos de que toda la materia que tenemos a nuestro alrededor está hecha en última instancia de partículas subatómicas. Partículas elementales (quarks) se unen por el efecto de fuerzas nucleares para dar forma a partículas más complejas (protones y neutrones), quienes a su vez se unen a otras partículas elementales (electrones), bajo la acción de fuerzas electromagnéticas, formando estructuras atómicas, es decir, átomos.

Nuestros propios cuerpos y el resto de la materia son tan solo «paquetes» de átomos que coexisten en el universo, inmersos, por otro lado, en un campo de fuerza que llamamos gravitatorio.

Todo lo que encontramos y podemos percibir en el universo se reduce a fuerzas (nucleares, electromágnéticas y gravitatorias) y a partículas (electrones, protones, neutrones, quarks, etc.).

Para poner lo que sigue en contexto y dibujar el camino que debe conducirnos a nuestras conclusiones, necesitamos hacer una breve mención a algo que se conoce como Teoría Cuántica de Campos.

Se trata de una rama de la Física  que pretende enlazar los principios de la Mecánica Cuántica con el estudio de fenómenos «macro» (los que exceden la escala subatómica) relacionados con los campos que nos rodean. Según esta teoría, lo único esencial que en realidad existe en el universo son campos, de los que en segunda derivada surgen tanto las partículas como las fuerzas.

Los campos son algo abstracto, poco intuitivo y difícil de explicar. Sabemos de ellos que no están hechos de nada pero que sin embargo llenan todo el espacio. Algunos nos resultan familiares porque convivimos con sus manifestaciones. Por ejemplo, percibimos el campo gravitatorio cuando lanzamos una pelota y observamos que una fuerza la hace caer al suelo. Al ver girar hacia el norte la aguja de una brújula también nos percatamos de la existencia de un campo electromagnético. En definitiva, no los vemos, pero sabemos que están ahí.

Algunos físicos han podido establecer modelos matemáticos que describen mediante ecuaciones el comportamiento de estos campos, cuantificando asimismo sus efectos. Newton lo hizo con el campo gravitatorio y Maxwell con el electromagnético.

Los campos son invisibles pero cuando en un punto comienzan a vibrar adquieren la forma de una partícula. Las partículas no son sino manifestaciones de los campos, al igual que lo son sus fuerzas.

Aunque parezca difícil de creer, esta mesa sobre la que me estoy apoyando está hecha en última instancia de vibraciones de un campo.

Existen dos tipos de partículas asociadas a los campos. Las primeras, llamadas bosones, no ocupan una posición determinada en el espacio y son responsables de la manifestación de su fuerza (digamos que son «partículas de fuerza»). Las otras, denominadas fermiones, son observables en las posiciones concretas que ocupan en cada momento.

Los bosones transmiten fuerzas, mientras que los fermiones ocupan espacio.

El fotón (partícula que «transporta» la luz) es un bosón del campo electromagnético, como lo es el gravitón del campo gravitatorio.

Por sus características, las partículas elementales de materia que conocemos, electrones y quarks, son fermiones, pero evidentemente no proceden ni del campo electromagnético ni del gravitatorio. La pregunta es, ¿de qué campo proceden? En otras palabras, ¿de qué campo ha surgido la materia del universo?

El físico británico Peter Higgs elaboró una teoría en los años 60 con una interpretación entonces rupturista sobre el origen de la materia. Según él, justo en el momento de la creación del universo (Big Bang), hace 13.800 millones de años, no existían electrones, ni quarks ni materia alguna. Estas partículas elementales son fermiones, resultantes de vibraciones de un campo que se extiende por todo el espacio y que la comunidad científica ha dado en llamar Campo de Higgs. En definitiva, se trata del campo que da masa a todas las partículas.

Si realmente existiera este campo, envolviéndonos sin que nos demos cuenta, deberían existir también sus bosones, así como manifestaciones de algún tipo de fuerza a través de ellos. Peter Higgs predijo en 1964 la existencia de esa fuerza y, por supuesto, la de sus correspondientes bosones.

En el año 2012 la predicción de Higgs se hizo realidad, lo que le valió el premio Nobel de Física en 2013. Hoy en día tenemos ya evidencia empírica de que ese campo existe y de que se extiende alrededor de nosotros, aunque no es detectable porque la interacción o fuerza que ejerce sobre su entorno es extremadamente débil y de corto alcance.

Esta evidencia se obtuvo al detectar por primera vez el bosón del campo de Higgs.

Una forma experimental de detectar y observar partículas consiste en someterlas a una gran aceleración, favoreciendo las colisiones entre ellas a velocidades próximas a la de la luz. De esta forma se provoca su destrucción y descomposición en partículas más elementales que pueden ser detectadas a través de las trazas que dejan en el espacio.

Este tipo de experiencias se realizan utilizando aceleradores/colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), instalación cercana a la ciudad suiza de Ginebra, que está operativa desde el año 2008.

Traza de las partículas en el acelerador

Traza de las partículas en el acelerador

La instalación dispone de un túnel circular de casi treinta kilómetros en el que se inyectan protones en uno y otro sentido. Tras acelerarlos hasta alcanzar una velocidad cercana a 300.000 Km/s, se les hace colisionar, recreando así justo el momento posterior al Big Bang, en el que solo existían partículas moviéndose y colisionando unas con otras dentro de un entorno de altísima temperatura, es decir, de altísima energía.

Este es el centro donde demostraron empíricamente la existencia del Campo de Higgs cuando en 2012 fueron capaces de detectar su bosón. El descubrimiento aportó la evidencia que se necesitaba para probar de dónde procede la materia.

Ahora sabemos cómo se crearon las galaxias, los planetas, los montes, los ríos y los mares. Todo procede del Campo de Higgs. Ahora bien, ¿de dónde ha salido este campo?

Parece que el descubrimiento de la «partícula Dios» nos ha dejado en el mismo punto en el que estábamos.

NOTA: No ha sido posible todavía encontrar el bosón gravitatorio (gravitón) porque su efecto a escalas cuánticas es prácticamente indetectable (no olvidemos que la manifestación de la fuerza gravitatoria es tanto más intensa cuanto mayor es la masa sobre la que actúa). De hecho, la física de partículas no se ha mostrado del todo eficaz, hasta la fecha, a la hora de explicar el fenómeno de la gravedad. A pesar de los avances que se están alcanzando en algunas líneas de investigación (Teoría de Cuerdas y Teoría de Lazos), no existe todavía una teoría cuántica completa de la gravedad, campo en el que todavía se mantiene vigente la Relatividad General (la gravedad como efecto de la curvatura del espacio). Para profundizar algo más en este tema, recomiendo al lector el artículo de Zenda  «Físicamente posible: de Newton a George Clooney».

Curvatura del espacio