El origen de la masa

Encontrar en 1983 las partículas W⁺, W^– y Z⁰, con las masas previstas por el mecanismo de Higgs proporcionó un gran respaldo a la teoría. Con todo (y a pesar de que para mucha gente encontrar estas tres partículas era equivalente a haber encontrado tres de las cuatro partículas de Higgs), no se podía decir al 100%  que la teoría estuviera confirmada. Había otras formas (si bien muchísimo menos elegantes y con más problemas) de obtener el mismo resultado sin hacer uso del campo de Higgs.

Pero la teoría de Higgs tenía otra predicción: que la cuarta partícula, la h, la que tiene masa (y que, debido a ello, no se entremezcla con el fotón), debe permanecer libre. Por tanto, si se la encontrase, la teoría quedaría confirmada.

Esta cuarta partícula debe estar además formándose continuamente en el vacío, como partículas virtuales de duración extrabreve; y las matemáticas muestran que, pese a su breve existencia, tienen una consecuencia inesperada: proporcionar un mecanismo para conferir también masa a las demás partículas elementales (como los electrones, o los quarks de los que se componen los protones y neutrones del núcleo atómico). Aunque a través de un proceso distinto: según esto, quarks y electrones serían en realidad partículas sin masa. Éstas interaccionan con las partículas h virtuales con distintas intensidades, provocando una transferencia de energía desde el campo de Higgs. A mayor intensidad de esta interacción, mayor transferencia de energía y (de nuevo gracias a que masa y energía es lo mismo) más masa adquiere la partícula. Aquellas partículas que no interaccionan con el campo de Higgs, siguen siendo partículas sin masa. O lo que es lo mismo, la masa no es una característica intrínseca de la partícula, sino una consecuencia de la propia interacción con el campo de Higgs.

Como hemos dicho, encontrar la cuarta partícula de Higgs sería la confirmación de que la teoría es cierta y no simples juegos matemáticos.

Encontrar la cuarta partícula de Higgs sería la confirmación de que la teoría es cierta y no simples juegos matemáticos.

Precisamente esa cuarta partícula es la que durante todas estas décadas han estado buscando lo físicos y por la cual se construyó el LHC, el nuevo acelerador del CERN. Y es esta partícula la que parece que, finalmente, este año 2012 se ha encontrado: una nueva partícula (no se encontraba ninguna partícula nueva desde hace casi 20 años, y eso ya es de por sí un bombazo), y enormemente pesada, casi tanto como un átomo de oro. Esta nueva partícula tiene todas las características predichas por el modelo para la partícula de Higgs. Es la partícula de Higgs. Con este fabuloso descubrimiento, de una importancia para la física quizás comparable a la que tuvo el DNA para la biología, el campo de Higgs ha pasado de ser una brillante idea a ser una sorprendente realidad.

¿La partícula de Dios?

El premio Nobel de física en 1988 Leon Lederman por sus trabajos sobre los neutrinos. Una decisión del editor sobre el título de su libro creo el término "La partícula de Dios". Foto: Indiana University-Purdue University

¿Y qué tiene que ver Dios en todo esto? ¿Por qué recibe tal nombre la partícula de Higgs? Parece ser que detrás de ello está el olfato de ventas de un editor. El físico y premio Nobel Leon Lederman fue coautor de un libro de divulgación sobre el tema que quiso titular “The goddamn particle”, o lo que es lo mismo, la maldita partícula. Su editor sin embargo no quiso usar una maldición como título de un libro, y se quitó “damn” del mismo, quedando “The God particle”, la partícula de Dios. Un nombre muy comercial y pegadizo que ayudó también a dar a conocer la partícula de Higgs, aunque es rechazado por bastantes físicos. Aún así, es en cierta forma indicativo del papel preponderante que ésta tiene.

Cuando se hace divulgación de la partícula de Higgs, se suele hacer hincapié en que es el origen de la masa en el Universo. Esto no es del todo cierto: sólo genera la masa de algunas partículas elementales, como los quarks que antes mencionábamos, pero no de las partículas compuestas, como los protones o neutrones que forman el núcleo de los átomos, y que constituyen por tanto la mayor parte del peso de cada uno de nosotros. Tanto protones como neutrones (que pesan casi lo mismo) están compuestos por tres quarks, pero la masa sumada de estos tres quarks juntos no llega ni al ¡¡2%!! de la masa del protón o del neutrón. ¿De dónde surge entonces más del 98% de nuestra masa? Pues de la energía de enlace entre esos tríos de quarks, una inmensa cantidad de energía, ya que detrás de estos enlaces está la interacción nuclear fuerte, la más intensa de todas. En resumen: menos de un 2% de su peso se lo debe al campo de Higgs. ¿Entonces a qué tanto alboroto?

Lo que pasa es que, como Albert Einstein nos demostró, las partículas que no tienen masa (como los fotones) se ven obligadas a viajar exclusivamente a la velocidad de la luz, no pueden ir más despacio que eso. Sin el campo de Higgs, electrones y quarks no tendrían masa, y viajarían a la velocidad de la luz. Y en ese caso difícilmente podrían haber acabado los quarks enlazados en grupos de tres; no podrían existir ni los protones ni los neutrones que componen los átomos. No habría átomos ni moléculas, ni planetas ni estrellas. Todos los componentes básicos de la materia estarían corriendo por ahí, a través del Universo, a la máxima velocidad. El Universo es hoy día como es porque existe el campo de Higgs.

El Universo es hoy día como es porque existe el campo de Higgs.

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El campo de Higgs ha pasado de ser una brillante idea a ser una sorprendente realidad.

Más aún. Quizás el campo de Higgs esté detrás del propio origen del Universo. Según esta teoría, en el instante inicial de todas las cosas, el universo era increíblemente pequeño y estaba vacío, pero ya contenía toda la energía que contiene hoy día, estaba sumamente caliente. En un momento dado sufrió una pequeña dilatación, quizás debida a una fluctuación cuántica y disminuyó su temperatura. En ese momento, el campo de Higgs, que estaba situado sobre su valor cero, sufrió una minúscula fluctuación, la simetría original del campo se rompió, se desestabilizó y «cayó» hasta uno de sus mínimos. La diferencia de energía entre ambas situaciones se liberó provocando la aparición de una cantidad descomunal de partículas de Higgs. El minúsculo universo original se halla ahora tan lleno de partículas de Higgs que, sencillamente, no cabían en él. La presión que produjo tantísimas partículas en un espacio tan reducido hizo que el espacio tuviera que expandirse para darles cabida. Esta explosión de partículas salidas de la nada y que obligaron al espacio a que se expandiera para hacerles sitio, fue el origen del Big Bang.

Esta teoría, llamada Inflación, en la cual el campo de Higgs hace las veces de “inflatón”, es sólo una de las muchas que compiten para explicar el mecanismo del Big Bang. Pero el descubrimiento realizado en el CERN este año de que el campo de Higgs sí existe, le ha proporcionado sin duda un importante apoyo. Si resulta ser cierta, el nombre de “partícula de Dios” quizá no haya sido del todo inmerecido.

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