¿Son la fuerza nuclear débil y la electromagnética lo mismo?

Acabábamos la entrega anterior planteándonos esta pregunta. La respuesta llegaba en 1967 de la mano de los premios Nobel Salam, Glashow y Weinberg, quienes consiguieron encontrar una formulación común que describía, al mismo tiempo, el funcionamiento de la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear débil. Y al hacerlo, unificaban ambas fuerzas. Demostraban así que, efectivamente, ambas eran dos aspectos de un ente más general: no había una fuerza electromagnética mediada por una partícula, por un lado, y una fuerza nuclear débil mediada por tres partículas, por otro, sino que todo ello era una única fuerza mediada por cuatro partículas, a la que se llamó fuerza electrodébil.

De izquierda a derecha, Steven Weinberg, Sheldon Lee Glasgow y Abdus Salam, ganadores del premio Nóbel de Física en 1979. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1979/

Pero había una contrariedad: para que la teoría fuera “renormalizable”, esto quiere decir, que no tuviera problemas matemáticos ni inconsistencias internas, las cuatro partículas mediadoras del campo no deberían tener masa. Deberían ser de alcance infinito. Pero como ya hemos visto, se sabía que tres de ellas sí tenían mucha masa. Y si metíamos a mano en las ecuaciones la masa de estas tres partículas, aparecían las inconsistencias matemáticas y los cálculos se hacían imposibles. ¿Cómo solucionarlo?

El campo de Higgs
Al físico británico Peter Higgs se le ocurrió una argucia matemática para resolver el problema: Supongamos que la fuerza electrodébil fuera como debería ser. Es decir, que estuviera en realidad mediado por cuatro partículas sin masa. Supongamos igualmente que existiera otro campo más en la naturaleza, desconocido, mediado también por cuatro partículas sin masa, que llamaremos h, H⁰, H⁺ y H^–.

Por si eso fuera poco extraño, además ese hipotético nuevo campo se debía comportar de una forma distinta a todos los ya conocidos. El campo electromagnético, por ejemplo, alcanza su mínima energía cuando no hay ningún fotón pululando por ahí; es decir, en el vacío más absoluto. Y lo mismo puede decirse de todos los demás campos que conocemos.

Pero en el caso del campo de Higgs, el vacío no es un mínimo de energía. Este hipotético campo se encuentra de hecho más “cómodo” si hay partículas de Higgs presentes en el espacio: la presencia de partículas es un estado con menos energía que la ausencia de las mismas. Si se quiere mantener el espacio limpio de partículas de Higgs es necesario suministrar energía, calentar el vacío, y además mucho.

A la izquierda: Campo con el mínimo de energía en cero. La energía mínima corresponde a la ausencia de partículas. A la derecha: Campo de Higgs con los mínimos de energía lejos del cero.

Este comportamiento se suele representar tradicionalmente con la imagen de un gorro mexicano que tiene una canica encima. El gorro representa la energía del campo de Higgs, y la canica el estado en que se encuentra. Mientras esté arriba (y si la energía promedio del Universo es lo bastante alta puede estarlo), el espacio está vacío de partículas de Higgs. Pero en un Universo más bien fresquito como el actual, un espacio vacío de partículas de Higgs es inestable. Más bien pronto que tarde el campo cae espontáneamente a un mínimo y aparecen partículas de Higgs. En nuestra metáfora, la canica se cae al ala del sombrero.

De todos los lados posibles, la canica ha caído en un lado concreto del ala del sombrero, y ahí ha ido a parar la energía del campo. Ese lado se corresponde a una de las cuatro partículas de Higgs, y será ésta partícula la que se llevará la mayor parte de la energía. Y como masa y energía son equivalentes, según demostró Einstein, esta partícula (a la que llamaremos h) pasará a ser una partícula con mucha masa, mientras que las otras tres (H⁰, H⁺ y H^–) seguirán sin tener masa. En resumen, a temperatura ambiente, el campo de Higgs se manifestaría llenando el espacio de partículas de cuatro tipos, tres de ellas sin masa y una cuarta muy masiva. Y si no fuera por la fuerza electrodébil, ahí acabaría todo.

La rotura del campo electrodébil

Pero cuando uno añade este prodigioso campo de Higgs a las ecuaciones de la fuerza electrodébil y desarrolla las matemáticas, ve que ocurren cosas sorprendentes: tres de las cuatro partículas de la fuerza electrodébil interaccionan intensamente con las tres partículas sin masa del campo de Higgs. Tanto, que se fusionan con ellas con mucha energía y no es posible destrabarlas. Cada una de estas nuevas parejas se va a comportar como si fueran una única partícula. De nuevo, como masa es igual a energía, la energía de esta fusión pasa a convertirse en masa y donde antes había dos partículas sin masa, aparece ahora una partícula con masa: aquella que se ha “tragado” la H⁺ se convierte en la partícula W⁺, la que se “traga” la H^– se convierte en la W^–, y la que se fusiona con la H⁰ pasa a ser la Z⁰. Según este modelo, en el Universo actual no es ya posible crearlas por separado debido a la intensa interferencia mutua entre estos dos campos; cuando se crea una, se crea cogida de la mano de su compañera “higgsiana”.

¿Y qué pasa con la cuarta partícula de la fuerza electrodébil? Pues que no interfiere con el campo de Higgs, y por tanto continúa sin masa: es el fotón. Así, la fuerza electrodébil unificada mediada por partículas sin masa ni carga, y por tanto renormalizable, debido a la interferencia del campo de Higgs se descompone en dos partes, una mediada por tres partículas muy masivas, que es la fuerza nuclear débil (y que gracias a este truco sigue siendo renormalizable), y otra mediada por una partícula sin masa, que es el campo electromagnético.

¿Pero era realmente sólo un truco matemático? Todo indicaba que no, pues el mecanismo de Higgs, además, predecía la masa qué debían tener las partículas W⁺, W^– y Z⁰ después de engullirse a las tres componentes sin masa del campo de Higgs. Y, oh sorpresa, cuando la W⁺, W^– y Z⁰ fueron finalmente descubiertas en el CERN en 1983 (lo cual de por sí ya fue un enorme éxito de este laboratorio, recompensado con un premio Nobel), encontraron que tenían exactamente las masas predichas. Todo parecía indicar que, a pesar de la exoticidad del hipotético campo de Higgs, éste debía existir.

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