La materia

Algunas personas se han interesado por saber si iba a hablar del bosón de Higgs en este blog, y tenía ganas de decirles: ¿queréis más?, ¿yo, química que aprobé la Química Física Avanzada en segunda convocatoria con un 5,1? ¡Si en Internet no se habla de otra cosa!, ¡si hay gente más especializada que yo que domina mucho más el tema y que está hablando por todos los sitios posibles! Pero, en atención a esas personas y en particular a mi padre, que me ha mandado incluso más información, intentaré hacer un (breve) resumen remitiéndoos a las fuentes que saben más que yo.

La gente que lee mis posts de ciencia sabe que me interesa el Big Bang y el LHC del CERN. Ya hablamos de las partículas elementales, aquí os dejo una tabla que saqué del excelente blog XDCiencia:

Aquí tenemos a nuestros amigos los quarks, los leptones (muones, neutrinos, etc.), los bosones, y abajo el famoso bosón de Higgs. Fijaos en los nombrecitos de los quarks (en verde): arriba, abajo, encanto,... Mi profesor de Física decía que se estaban descubriendo tantas nuevas partículas que ya no sabían que nombres ponerles y recurrieron a colores, sabores y demás. Nos cuentan aquí que todo empezó por ponerles letras, y que luego se adoptó una nueva nomenclatura.

¿Por qué los físicos están tan empeñados en encontrar el bosón de Higgs para justificar esta dichosa teoría del Modelo Estándar que tiene un montón de partículas, que encima llevan nombres absurdos? Porque hasta el momento es lo mejor que tenemos para explicar el Universo que conocemos. Es decir: en todos los experimentos realizados hasta ahora, ha funcionado. La particularidad de este modelo que funciona es que no explica la masa, y eso es un problema, porque existimos así que de alguna manera habrá que explicarla. Y ahí entra el campo de Higgs, que según Pablo García, físico del Ciemat y miembro del CPAN: El campo permea todo el universo y toda la materia interacciona con él. El bosón de Higgs es un como una perturbación del campo (más técnicamente, una excitación). El bosón también interacciona con su propio campo, del que adquiere la masa.

Existen cuatro fuerzas en el Universo: la gravitacional, la electromagnética, y las nucleares fuertes y débiles. Las tres últimas son cuánticas, es decir, no se explican mediante partículas discretas sino que representan el salto de la física newtoniana a la física moderna, que se basa en la dualidad onda-corpúsculo (por ejemplo, de los electrones que forman la corriente eléctrica), en el principio de incertidumbre de Heisenberg (que viene a decir que no podemos medir con exactitud ya que la energía que empleamos para medir produce un error en la medida que en la escala de partículas nos aporta información errónea), la ecuación de Schrödinger,... En fin, que ya no hablamos de posición o de órbita del electrón en un átomo (determinismo) sino de la probabilidad de que un electrón se encuentre en una determinada posición en un determinado momento. Para entender la cuarta fuerza (la gravedad) como un campo de fuerzas cuántico está la teoría de la relatividad general de Einstein que es una teoría del espacio y del tiempo y que predice una partícula llamada gravitón. En palabras de Pablo García, "El concepto clásico de atracción pierde aquí gran parte de su valor: las partículas, en presencia de otras masas, se mueven describiendo trayectorias rectilíneas en un espacio curvo. Complicado, verdad. Difícil de aceptar de no ser por las muy estrictas verificaciones experimentales por las que ha pasado la relatividad general." Según  Francisco  Román Villatoro Machuca: "No sabemos construir una teoría cuántica de la gravedad consistente en un espaciotiempo arbitrario (que quizás en dicha teoría sea un ente emergente y no fundamental). Ahora bien, podemos asumir un campo gravitatorio (espaciotiempo clásico fijo) y pequeñas excitaciones cuánticas de dicho campo; estas excitaciones se comportan como partículas de espín 2 y se llaman gravitones."

El campo de Higgs tiene que ver con la Teoría de la Unificación de Fuerzas de la que ya hablamos hace tiempo: muy cerca del Big Bang las cuatro fuerzas del Universo estarían unidas. El mecanismo de Higgs explicaría que a alta energía (como la proveniente del Big Bang) la fuerza nuclear débil y la electromagnética estarían unidas. La existencia del Higgs influye en las demás partículas y esa influencia permite saber más o menos cuál es su masa (en palabras de Francisco Montoro), a lo largo de los distintos aceleradores de partículas se ha ido restringiendo el intervalo de energía en el que parece encontrarse el bosón de Higgs, y se supone que el LHC podrá descubrirlo con más precisión, y si no, el siguiente colisionador que ls sustituya. Ahora lo interesante, es ver si con el LHC se puede observar la supersimetría, y si no construir un nuevo acelerador hasta que se observe, para conocer con seguridad que el Higgs anunciado pertenece al Modelo Estándar o es solo uno más de los predichos por la Teoría de la Supersimetría. Como dice, Pablo García, "Si la partícula recién descubierta resulta no ser exactamente el bosón de Higgs, si no, por ejemplo, uno de los bosones de Higgs que predice otra teoría (supersimetría) [INCISO: LA SUPERSIMETRÍA PREDICE LA EXISTENCIA DE CINCO BOSONES DE HIGGS], entonces tendríamos muy buenas razones para pensar que la materia oscura puede estar formada por estas partículas supersimétricas. Hasta ahora no hemos observado este nuevo tipo de partículas, y es uno de los objetivos prioritarios de los experimentos de LHC." Si existen las partículas de la teoría de supersimetría deben tener una energía superior porque si no, ya se hubiesen observado en anteriores experimentos. Hay que recordar que según la ecuación tan famosa de Einstein, la energía y la masa están intímamente relacionadas.

La particularidad de la masa, con respecto a otras propiedades del espacio (como podrían ser las fuerzas electromagnéticas) es que la masa permanece constante, es por ello que el Modelo Estándar y el campo de Higgs son "escalares". Como señalan en Amazings, conviene distinguir entre la "masa gravitatoria" por la que dos cuerpos interaccionan entre sí por la fuerza gravitacional, y la "masa inercial" que se explicaría por las leyes de Newton: que todo cuerpo en reposo tiende a permanecer en esa situación a no ser que se aplique una fuerza sobre él. El campo de Higgs se refiere a esta última masa, mientras que la fuerza de la gravedad queda excluida del Modelo Estándar de partículas, entre otras cosas, porque es tan débil que de momento no se es capaz de medirla. 

La razón por la cual el bosón de Higgs es una partícula fundamental en el modelo estándar es que sin esta partícula no se pueden realizar cálculos de precisión (...). Por cierto, para que el modelo estándar sea consistente gracias al bosón de Higgs es necesario que el acoplamiento del Higgs a los bosones W y Z, así como a los fermiones (quarks y leptones) sea exactamente el predicho por la teoría (entrada completa de  Francisco Villatoro, aquí)

Se ha buscado el bosón de Higgs en diversos intervalos de energía, y más o menos se intuye en dónde debe aparecer. Si no se lo ha buscado solo ahí, es porque estamos en cuántica donde tiene mucha importancia la probabilidad, así que dice Villatoro: ¿Por qué no buscar el Higgs donde creemos que está, digamos entre 115 y 135 GeV? Porque desde un punto de vista estadístico se estaría sesgando la búsqueda, con lo que fluctuaciones estadísticas muy probables entre 100 y 800 GeV, parecerían muy excepcionales en un intervalo tan pequeño. Las cinco sigmas de significación estadística deben ser globales si queremos ser rigurosos.

Por cierto, el LHC no solo investiga el bosón de Higgs sino también otros temas de interés científico como la supersimetría (de la que ya hemos hablado), micro-agujeros negros, la violación del equilibrio materia-antimateria, ...

Y para terminar de liaros... Un vídeo sobre el Higgs:

Y en este enlace uno sobre la materia oscura...