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Noticias del mundo subatómico

Actualizado el 12 de julio de 2012 a las 12:00 am

¿Por qué estaban los físicos buscando la partícula conocida como el “bosón de Higgs”?

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El pasado 4 de julio trajo, además de la usual celebración del aniversario de la Independencia de los EE. UU., uno de los anuncios más importantes de las últimas décadas en física de partículas: que ya hay evidencia, bastante sólida aunque no necesariamente definitiva, de la observación de una nueva partícula elemental cuya existencia había sido predicha hace muchos años, a partir de consideraciones teóricas, pero que aún no había sido detectada experimentalmente. ¿Por qué estaban los físicos buscando tan asiduamente esta partícula, conocida como el “bosón de Higgs”, y qué implicaciones puede tener su descubrimiento?

El primer acelerador de partículas. El estudio de la materia a nivel subatómico, mediante experimentos con aceleradores de partículas, tiene ya una larga historia. El Conservatorio Nacional de Artes y Oficios, en su museo de la calle Réamur, en París, tiene en exhibición para los visitantes, junto con muchos otros instrumentos científicos históricos, un ciclotrón que data de 1937. El ciclotrón, inventado algunos años antes en la Universidad de Berkeley por el estadounidense Ernest Lawrence, fue el primer acelerador de partículas, o sea, el primer dispositivo en usar un campo electromagnético para acelerar partículas con carga eléctrica (como los electrones o los protones), hasta conferirles una velocidad considerable, para luego estrellar esas partículas contra otro cuerpo. El propósito de estos aparatos es observar lo que resulta de las colisiones, para poder hacer inferencias sobre la composición y comportamiento de la materia.

A diferencia de lo que suele ocurrir con otras tecnologías, los aceleradores de partículas se han hecho cada vez más grandes y más caros. El ciclotrón de París abarca apenas un par de metros en cada dirección y cabe fácilmente en una estancia. En cambio, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en inglés), que actualmente opera en un túnel subterráneo bajo la frontera entre Francia y Suiza, cerca de la ciudad de Ginebra, tiene 27 kilómetros de circunferencia y un presupuesto de 7.500 millones de euros. Cerca de 10.000 personas, incluyendo ingenieros, técnicos y científicos, están involucrados en la operación del acelerador o en la interpretación de los datos que arroja, lo que lo hace el experimento científico más complejo y más caro de la historia (aunque la cantidad de horas-hombre es comparable a las que se necesitaron para levantar las pirámides de Giza, en el antiguo Egipto).

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La razón por la cual el tamaño y costo de los aceleradores de partículas ha ido aumentando es que, para poder estudiar la materia a escalas cada vez más pequeñas, es necesario acelerar las partículas a energías más y más altas: paradójicamente, se requieren instrumentos más grandes para medir distancias más cortas. Lo que se podía aprender con las energías modestas que se alcanzaban con un ciclotrón como el del museo del Conservatorio, ya fue incorporado hace mucho a los libros de texto. La frontera científica está en el LHC.

La moderna física de partículas nace de la combinación de dos grandes descubrimientos que datan de los inicios del siglo XX. El primer descubrimiento fue la mecánica cuántica, que describe el extraño comportamiento a cortas distancias de la materia y de la energía, que adquieren simultáneamente propiedades de onda y de partícula. El segundo descubrimiento fue la teoría de la relatividad, que describe lo que ocurre cuando las cosas se desplazan entre sí a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. La reconciliación de la mecánica cuántica con la teoría de la relatividad lleva a un esquema conceptual, en muchos sentidos aún inacabado, conocido como la teoría cuántica de los campos. Un ejemplo cotidiano de un campo es el campo magnético que rodea un imán. Según la teoría cuántica de los campos, toda partícula es una perturbación en un campo correspondiente, más o menos como una ola es una perturbación en el mar. Esa ola se desplaza con cierta velocidad, llevando consigo energía. Una de las particularidades de esta descripción es que permite hablar de partículas sin masa (o sea, de partículas que no pesan nada, algo que no tendría ningún sentido en la física newtoniana), siempre y cuando la partícula viaje a la velocidad de la luz. Así, por ejemplo, la luz que llega a nuestros ojos y que nos permite percibir visualmente el mundo externo, estaría compuesta de un flujo de partículas sin masa –pero sí con energía– llamadas “fotones”.

Misterio del origen de la masa. En la década de 1960, varios estudiosos se percataron de que era necesario explicar, dentro del esquema matemático de la teoría, por qué varias de las partículas fundamentales (como, por ejemplo, el electrón) sí tienen masa y por lo tanto no viajan a la velocidad de la luz. Para resolver este misterio, propusieron que debía existir otro campo, distinto de los que hasta entonces habían sido descritos y observados, cuya interacción con las otras partículas ejercería sobre ellas una especie de fricción que las obligaría a viajar más despacio que la velocidad de la luz y las dotaría así de una masa. A este nuevo campo hipotético se le llamó “campo de Higgs”, en honor al físico teórico escocés Peter Higgs, quien fue uno de los primeros en proponer esta respuesta al misterio del origen de la masa.

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Una analogía, imperfecta pero tal vez útil para fines ilustrativos, podría ser al campo de Higgs como el mar en que se desplazan las otras partículas, que serían como pequeños botes. El agua del mar ejerce una resistencia al movimiento de los botes y por lo tanto limita la velocidad a la que pueden desplazarse. Esta resistencia nos sirve de analogía para la interacción entre el campo de Higgs y una partícula como el electrón, interacción que retarda el movimiento del electrón y le confiere masa.

Peter Higgs tuvo además otra idea muy brillante: que si ese era realmente el mecanismo que dotaba de masa a las partículas que ya habían sido observadas y catalogadas, debía existir también otra partícula que nadie había visto aún, que sería como una ola en ese mar. Para generar la ola se requeriría una gran cantidad de energía, y por lo tanto un acelerador de partículas aún más grande que los que se había construido hasta aquel entonces. Además, la ola existiría solo por una pequeñísima fracción de segundo antes de desvanecerse, por lo que para detectarla sería necesario una observación muy concienzuda.

Según las leyes de la mecánica cuántica, dos electrones no pueden ocupar el mismo estado de energía y rotación. Esto debiera resultar familiar a quienes hayan llevado un primer curso de química universitaria, puesto que es en gran medida lo que explica la estructura de la tabla periódica de los elementos. A todas aquellas partículas que, como el electrón, no pueden coexistir en un mismo estado, se las llama fermiones, en honor al físico italiano Enrico Fermi. La otra gran categoría de partículas, aquellas que (como el fotón de luz) sí pueden coexistir en el mismo estado cuántico, se las llama bosones, en honor al físico indio Satyendra Nath Bose. La nueva partícula propuesta por Higgs sería un bosón y por lo tanto se le ha llamado el “bosón de Higgs”.

Ya dijimos que es el campo de Higgs el que confiere masa a las otras partículas, pero el origen de la masa del propio bosón de Higgs sigue siendo un misterio. Los físicos teóricos han propuesto una gran cantidad de ideas distintas en torno a esta cuestión, ideas que suelen implicar que la búsqueda del bosón de Higgs debiera dar también con otras partículas nuevas. Cuáles podrían ser exactamente esas otras partículas, se conecta con preguntas fundamentales sobre la unificación de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo, y las interacciones nucleares fuerte y débil. Está también de por medio nuestra comprensión de los principios que podrían explicar, o por lo menos describir, el origen del universo. El tema, por lo tanto, ha atraído una enorme cantidad de interés científico en los últimos cincuenta años, pero, como hasta ahora no habíamos visto al bosón de Higgs, ese trabajo no había podido ir más allá de la especulación teórica. El descubrimiento de la partícula que Higgs predijo hace cinco décadas, bien podría representar, en consecuencia, el inicio de un salto muy importante en nuestra comprensión de las leyes físicas fundamentales.

Utilidad y aspiración de la ciencia. Cuando se habla de experimentos tan costosos como el LHC, suele surgir la pregunta de si se justifica dedicar ese dinero a una investigación que no tiene aplicaciones tecnológicas evidentes. El bosón de Higgs probablemente habría sido descubierto hace ya varios años y la investigación en física de partículas estaría hoy mucho más avanzada si el Congreso de los EE.UU. no hubiera cancelado en 1993 el financiamiento para otro acelerador (el Super Colisionador Superconductor, o SSC por sus siglas en inglés) que, si se hubiera terminado de construir, hubiera sido aún más poderoso que el actual LHC.

Creo que hay dos respuestas posibles ante este cuestionamiento. La primera es que históricamente hemos visto de manera repetida cómo investigaciones que se llevaron a cabo por pura curiosidad científica, han terminado haciendo posibles avances tecnológicos que antes eran inimaginables. Por ejemplo, el trabajo de James Clerk Maxwell y otros, en el siglo XIX, sobre las leyes del electromagnetismo, luego hizo posible la invención de la radio y de la comunicación inalámbrica en general. Y aunque algunas personas todavía piensan que la mecánica cuántica es solo una curiosidad intelectual, se trata de la ciencia que permitió, por ejemplo, la invención del transistor, y por lo tanto el desarrollo de gran parte de la informática moderna.

La segunda respuesta es que la ciencia no ha sido nunca, ni pretende ser, una mera herramienta utilitaria: la ciencia es, ante todo, uno de los grandes logros culturales del ser humano, un reflejo de valores que van más allá del mero deseo o necesidad de satisfacer apetitos corporales, una manifestación de nuestra aspiración sincera de conocimiento y de trascendencia.

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