La partícula divina (68 page)

¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones
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y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espín de media unidad). ¿Cuál es el pelaje del Higgs? Es un bosón de espín cero. El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs da masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad. Al Higgs se le llama a veces «bosón escalar [sin dirección]» por esa razón.

Por mucho que nos intrigue la capacidad que este nuevo campo tiene de dotar de masa, uno de mis teóricos favoritos, Tini Veltman, pone este cometido del Higgs muy por debajo de su principal obligación, nada menos que lograr que nuestro modelo estándar sea coherente. Sin el Higgs, el modelo no pasa una simple prueba de coherencia.

Lo que quiero decir es lo siguiente. Hemos hablado mucho de colisiones. Dirijamos cien partículas hacia un blanco específico, una pieza de hierro de unos seis centímetros cuadrados de área, digamos. Un teórico de modestas habilidades puede calcular la probabilidad (recordad, la teoría cuántica nos permite predecir sólo la probabilidad) de que sean dispersadas. Por ejemplo, puede que la teoría prediga que de las cien partículas que lanzamos al blanco sólo se dispersarán diez partículas, un 10 por 100. Ahora bien, muchas teorías predicen que la probabilidad de la dispersión depende de la energía del haz que usemos. A bajas energías, todas las teorías que conocemos de las fuerzas —la fuerte, la débil y la electromagnética— predicen probabilidades que concuerdan con los experimentos reales. Sin embargo, se sabe que en el caso de la interacción débil la probabilidad crece con la energía. Por ejemplo, a una energía media la probabilidad de dispersión puede llegar a un 40 por 100. Si la teoría predice que la probabilidad de dispersión es mayor que el 100 por 100, está claro que la teoría deja de ser válida. Algo está mal, pues una probabilidad de más del 100 por 100 no tiene sentido. Quiere decir, literalmente, que se dispersan más partículas que las que había en el haz al principio. Cuando pasa esto, decimos que la teoría viola la unitariedad (sobrepasa la probabilidad uno).

En nuestra historia, el problema era que la teoría de la interacción débil concordaba bien con los datos experimentales a bajas energías, pero predecía cosas sin sentido cuando la energía era grande. Se descubrió esta crisis cuando la energía a la que se predecía el desastre estaba más allá del alcance de los aceleradores existentes. Pero el fallo de la teoría indicaba que se estaba dejando algo fuera, algún proceso nuevo, alguna partícula nueva quizás, que, si los conociésemos, tendrían el efecto de impedir el aumento de la probabilidad hasta valores absurdos. La interacción débil, recordaréis, fue inventada por Fermi para describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme número de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV. Una de las razones que motivaron el experimento de los dos neutrinos era comprobar la teoría a energías mayores, ya que las predicciones mantenían que se produciría una crisis de la unitariedad cerca de unos 300 GeV. Nuestro experimento, realizado a unos pocos GeV, confirmó que la teoría se encaminaba a una crisis. Esta resultó ser una indicación de que los teóricos habían dejado fuera una partícula W cuya masa era de unos 100 GeV. La teoría original de Fermi, que no incluía los W, era equivalente matemáticamente al uso de un vehículo de la fuerza con una masa infinita, y 100 GeV es una energía tan sumamente grande en comparación con los experimentos primitivos (por debajo de 100 MeV) que la teoría vieja funcionaba bien. Pero cuando le preguntábamos a la teoría qué harían los neutrinos a los 100 GeV, había que incluir los W de 100 GeV para evitar una crisis de la unitariedad; con todo, hacía falta algo más.

Bueno, se ha hecho este repaso simplemente para explicar que nuestro modelo estándar sufre una enfermedad de la unitariedad en su forma más virulenta. El desastre golpea ahora a una energía de 1 TeV. El objeto que evitaría el desastre si… si existiese es una partícula neutra pesada con propiedades especiales a la que llamamos —os lo habréis imaginado— partícula de Higgs. (Antes nos referimos al campo de Higgs, pero debéis recordar que los cuantos de un campo son un conjunto de partículas.) Podría ser el mismísimo objeto que crea la diversidad de las masas o podría ser un objeto similar. Podría haber una sola partícula de Higgs o una familia de partículas de Higgs.

Hay que responder montones de preguntas. ¿Cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs y, lo que es más importante, cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas, o sólo un incremento de las masas? ¿Y cómo podemos saber más al respecto? Como es Su partícula, nos cabe esperar que la veremos, si llevamos una vida ejemplar, cuando ascendamos a Su reino. O podemos gastarnos ocho mil millones de dólares y construirnos un Supercolisionador en Waxahachie, Texas, diseñado para producir la partícula de Higgs.

También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del universo, añadiendo, pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs. Acerca de esto, diremos más en el capítulo 9.

El campo de Higgs, tal y como se lo concibe ahora, se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Éstas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el campo de Higgs. Por lo tanto, el cuadro que las partículas y la cosmología pintan juntas de un universo primitivo puro y de resplandeciente simetría es demasiado caliente para el Higgs. Pero cuando la temperatura cae bajo los 10
¹⁵
grados Kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas. Así, por ejemplo, antes del Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada. El universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs —que engorda los W y Z, y por alguna razón ignora al fotón— y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe. Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza
W
⁺
,
W
⁻
,
Z°
, y por otra parte una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si para algunas partículas el campo de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviesen con dificultad y que les hiciera parecer que tienen mucha masa. Para otras partículas, el Higgs es como el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.

Debería, seguramente, repasar el origen de la idea de Higgs, pues he coqueteado un poco antes de descubrir el pastel. Recibe también la denominación de simetría oculta o «ruptura espontánea de la simetría». Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, introdujo la idea en la física de partículas. La utilizaron los teóricos Steven Weinberg y Abdus Salam, que trabajaban por separado, para comprender cómo se convertía la unificada y simétrica fuerza electrodébil, transmitida por una feliz familia de cuatro partículas mensajeras de masa nula, en dos fuerzas muy diferentes: la QED con su fotón carente de masa y la interacción débil con sus
W
⁺
,
W
⁻
y
Z°
de masa grande. Weinberg y Salam se apoyaron en los trabajos previos de Sheldon Glashow, quien, tras los pasos de Julian Schwinger, sabía sólo que había una teoría electrodébil unificada, coherente, pero no unió todos los detalles. Y estaban Jeffrey Goldstone y Martinus Veltman y Gerard `t Hooft. Y hay otros a los que habría que mencionar, pero así es la vida. Además, ¿cuántos teóricos hacen falta para encender una bombilla?

Otra manera de mirar el Higgs es desde el punto de vista de la simetría. A altas temperaturas la simetría se manifiesta, una simplicidad pura, regia. A temperaturas más bajas, se rompe. Es el momento de algunas metáforas más.

Pensad en un imán. Un imán es un imán porque, a bajas temperaturas, sus imanes atómicos están alineados. Un imán tiene una dirección especial, su eje norte-sur. Ha perdido; pues, la simetría de un pedazo de hierro no magnético donde todas las direcciones espaciales son equivalentes. Podemos «arreglar» el imán. Al elevar la temperatura, pasamos de un hierro magnético a uno que no lo es. El calor genera una agitación molecular que acaba por destruir la alineación, y tenemos una simetría más pura. Otra metáfora frecuente es la del sombrero mexicano: una copa simétrica rodeada por unas alas simétricas vueltas hacia arriba. Se deja una canica en la parte más alta de la copa. Hay una simetría rotacional perfecta, pero no estabilidad. Cuando la canica cae a una posición más estable (de menos energía), en alguna parte del ala, se destruye la simetría aun cuando la estructura básica sea simétrica.

En otra metáfora nos imaginamos una esfera perfecta llena de vapor de agua a una temperatura muy alta. La simetría es perfecta. Si dejamos que el sistema se enfríe, acabaremos por tener un depósito de agua en el que flotará un poco de hielo, con un vapor de agua residual por encima. La simetría se ha destruido por completo por el simple acto de enfriar, lo que en esta metáfora le permite al campo gravitatorio actuar. Pero puede volverse al paraíso con calentar de nuevo el sistema.

Por tanto: antes del Higgs, simetría y aburrimiento; tras el Higgs, complejidad y pasión. La próxima vez que miréis al cielo estrellado deberíais ser conscientes de que todo el espacio está lleno de ese misterioso influjo del Higgs, responsable, eso dice la teoría, de la complejidad del mundo que conocemos y amamos.

Imaginaos ahora las fórmulas (¡ajj!) que dan las predicciones y posdicciones correctas de las propiedades de las partículas y las fuerzas que medimos en el Fermilab y en nuestros laboratorios de los aceleradores en los años noventa. Cuando les metemos reacciones que se efectúan a energías mucho mayores, las fórmulas arrojan resultados sin sentido. ¡Ajá!, pero si incluimos el campo de Higgs, modificamos la teoría y nos sale una teoría coherente incluso a energías de 1 TeV. Higgs salva los muebles, salva al modelo estándar con todas sus virtudes. ¿Prueba ello que sea correcto? En absoluto. Es sólo lo mejor que los teóricos son capaces de hacer. A lo mejor Él es más listo todavía.

Volvamos a los días de Maxwell. A los físicos les parecía que necesitaban un medio que impregnase todo el espacio y a través del cual la luz y otras ondas electromagnéticas pudieran viajar. Lo llamaban éter y le dieron unas propiedades tales que pudiese hacer su trabajo. El éter daba, además, un sistema coordenado absoluto que permitía la medición de la velocidad de la luz. El destello de perspicacia de Einstein mostró que el éter era una carga innecesaria que se le imponía al espacio. Aquí se las ve uno con un concepto venerable, que no es otro que el «vacío» inventado (o descubierto) por Demócrito. Hoy el vacío, o más precisamente, el «estado vacío», está aquí y allá.

El estado vacío consiste en una región del universo de la que se ha retirado toda la materia y donde no existen energía ni momento. Es «nada en absoluto». James Bjorken, al hablar de ese estado, dijo que le tentaba hacer para la física de partículas lo que John Cage hizo para la música: cuatro minutos y veintidós segundos de… nada. Sólo el miedo al presidente del congreso le disuadía. Bjorken, experto como es en las propiedades del estado vacío, no se puede comparar con Hooft, que de nada en absoluto entiende mucho más.

La parte triste de la historia es que los teóricos del siglo XX han contaminado hasta tal punto (¡esperad a que se entere el Sierra Club!) el carácter absoluto original del estado vacío (en cuanto concepto), que es muchísimo más complicado que el arrumbado éter del siglo XIX. Al éter lo reemplaza —además de todas las fantasmales partículas virtuales— el campo de Higgs, cuyas dimensiones completas no conocemos todavía. Para cumplir su cometido debe existir, y los experimentos han de descubrir al menos una partícula de Higgs, eléctricamente neutra. Podría ser sólo la punta del iceberg: a lo mejor hace falta un zoo de cuantos bosónicos de Higgs para describir del todo el nuevo éter. Está claro que hay nuevas fuerzas y nuevos procesos. Podemos resumir lo poco que sabemos: por lo menos una de las partículas que representan el éter de Higgs ha de tener espín cero, tiene que estar íntima y misteriosamente unida a la masa y debe manifestarse a temperaturas equivalentes a una energía de menos de 1 TeV. Hay controversia además acerca de la estructura del Higgs. Una escuela dice que es una partícula fundamental. Otra idea es que está compuesto por nuevos objetos de tipo quark, que podrían finalmente ser vistos en el laboratorio. A un tercer bando le tiene intrigado la enorme masa del quark
top
y cree que el Higgs es un estado ligado de un
top
y un
antitop
. Sólo los datos lo dirán. Mientras, es un milagro que podamos siquiera ver las estrellas.

El nuevo éter es, pues, un sistema de referencia para la energía, en este caso potencial. Y el Higgs solo no explica los demás residuos y basura teórica que se arroja al estado vacío. Las teorías
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depositan lo que requieren, los cosmólogos explotan la «falsa» energía del vacío y en la evolución del universo el vacío puede estirarse y expandirse.

Uno reza por un nuevo Einstein que, en un destello de perspicacia, nos devuelva nuestra hermosa nada.

Higgs, pues, es grande. ¿Por qué, entonces, no se le ha adoptado universalmente? Peter Higgs, que le prestó su nombre al concepto (no a sabiendas), trabaja en otras cosas. Veltman, uno de sus arquitectos, dice que es una alfombra bajo la que barremos nuestra ignorancia. Glashow es menos amable y lo llama retrete donde echamos las incoherencias de nuestras teorías actuales. Y la otra objeción global es que no hay ni una pizca de una prueba experimental.

¿Cómo se prueba la existencia de este campo? El Higgs, como la QED, la QCD o la interacción débil, tiene su propia partícula mensajera, el bosón de Higgs. ¿Cómo se prueba que el Higgs existe? Hállese, simplemente, la partícula. El modelo estándar es lo bastante fuerte para decirnos que la partícula de Higgs de menor masa (podría haber muchas) debe «pesar» menos de 1 TeV. ¿Por qué? Si tiene más de 1 TeV, el modelo estándar se vuelve incoherente y tenemos la crisis de la unitariedad.