Carlos del porto Banco

Imagine por un momento el universo instantes después del Big Bang. No hay galaxias, ni estrellas, ni planetas. Solo un océano primordial de partículas elementales zumbando en una danza frenética a temperaturas inimaginables. Ahora, contemple el mundo que le rodea: la solidez de la silla en la que se sienta, la pantalla que está leyendo, su propia mano. ¿Cómo se transitó de ese caos energético a la materia tangible que define nuestra realidad? La respuesta a esa pregunta transcendental tiene un nombre, y quizá haya oído hablar de él: el bosón de Higgs, popularmente conocido como la “Partícula de Dios”, término popular acuñadp por el físico León Leatherman en un libro. Ese es el objetivo de esta columna.

Encontrar el bosón de Higgs es como encontrar el borde de un mapa. Ahora sabemos dónde buscar lo que está más allá. Nima Arkani-Hamed.

Pero, ¿qué es realmente el bosón de Higgs? es, en esencia, la pieza clave de un mecanismo que responde a la pregunta más simple y profunda: ¿Por qué tienen masa algunas partículas? Para entender el bosón, primero se debe hablar de su campo. En la física de partículas, cada partícula es una pequeña excitación u «ola» en un campo invisible que permea todo el espacio-tiempo. Piense en el Campo de Higgs no como una entidad física sólida, sino como un océano invisible y omnipresente que llena el Universo por completo, incluso en el vacío más absoluto, similar al campo magnético solo que, en vez de interactuar con partículas cargadas, este campo imaginario interactúa solo con las partículas que tengan masa. Las partículas que interactúan con ese campo adquieren masa, tal y como si ésta fuera causada por una “fricción” contra el campo. Las partículas con mayor fricción o que interactúan más fuertemente, serían aquellas con una masa mayor, mientras que las que interactuasen muy poco tendrían una masa mínima.

Así, el mecanismo propuesto por Higgs explicaría perfectamente cómo las partículas irían adquiriendo masa al interactuar con el campo. En otras palabras, cuando una partícula avanzase a través del Campo de Higgs, encontraría una cierta resistencia, tal y como un nadador encuentra resistencia al moverse en el agua. Cuanta más resistencia encuentra, mayor es la masa que obtiene. En el caso de los fotones, por ejemplo, partículas sin masa, esos no tendrían ningún tipo de interacción con el campo.

Ahora bien, la existencia de ese Campo de Higgs requiere la presencia de una partícula asociada a él: el bosón de Higgs. Esa partícula actuaría como una especie de mensajero o de “manifestación cuantizada” del campo. En otras palabras, el bosón sería como una excitación puntual del campo y detectar el bosón de Higgs haría referencia a detectar las pequeñas fluctuaciones que pueden ocurrir en el Campo de Higgs debido a esas “fricciones” o interacciones con las partículas. De ahí que sea tan difícil detectarlo: existe tan solo durante una fracción extremadamente pequeña de un segundo y es altamente inestable. Al fin y al cabo, solo dura lo que tarda en ocurrir una pequeña interacción.

Thomas Mc Cauley /La CMS/CERN. Representación gráfica de los datos registrados en el acelerador LHC en 2012, consistentes con el decaimiento del bosón de Higgs. Las líneas discontinuas amarillas y las torres verdes harían referencia a la desintegración del Bosón de Higgs en fotones.

Una analogía muy famosa e ilustrativa, fue propuesta por el físico David Miller en 1993, es la de un cóctel. Imagine una sala de fiestas llena de científicos (el Campo de Higgs) distribuidos uniformemente. De repente, entra un personaje popular y famoso (digamos, un Peter Higgs de la vida real). Al instante, es rodeado por un grupo de admiradores que le frenan su avance. Ese «arrastre» interactúa con él, dándole masa efectiva: le cuesta más moverse por la sala.

Ahora, imagine que entra una persona desconocida. Atraviesa la sala casi sin interactuar con nadie, se desliza con facilidad. Esa partícula tiene muy poca o ninguna masa, ese sería el caso de un fotón (la partícula de luz). Por último, suponga que alguien en el borde de la sala cuenta un chisme. Se forma un pequeño grupo de personas que lo comenta (una excitación), que se mueve por la sala. Ese «grupo de chisme» es el bosón de Higgs: la manifestación palpable del campo, la prueba de que existe.

• La sala de fiesta representa el campo de Higgs, invisible pero presente en todo el universo.
• Las personas en la sala son como las partículas elementales.
• La aglomeración de personas alrededor de una celebridad representa cómo algunas partículas adquieren masa al interactuar con el campo.

El bosón de Higgs, es la partícula que prueba la existencia del campo. Del mismo modo que al agitar el agua (el campo) se produce una onda (el bosón), lo que confirma que el agua está ahí. Esta partícula fundamental asociada al campo de Higgs, permea todo el espacio. Sin ese campo, las partículas elementales no tendrían masa y el uUiverso tal como se conoce —con galaxias, estrellas y seres vivos— no existiría. Su descubrimiento en 2012 cerró un capítulo crucial de la física moderna y confirmó una predicción clave del modelo estándar.

Contexto histórico y conceptual

Cualquier partícula en la que piense, ya sean electrones, protones, neutrones, quarks… está regulada y caracterizada por el Modelo Estándar, un marco teórico que describe a todas las partículas fundamentales en el Universo y las fuerzas que actúan entre ellas (electromagnetismo, fuerza nuclear débil y fuerza nuclear fuerte). Sin embargo, todas ellas pueden dividirse en dos categorías muy sencillas: fermiones y bosones. Los primeros engloban a todas aquellas partículas que componen la materia que ves en el universo, como los quarks, que forman protones y neutrones, o los leptones, componentes de los electrones. Los bosones, por su parte, incluyen a todas aquellas partículas que regulan las interacciones entre los fermiones, mediando la fuerza que actúa entre ellas.

La historia que nos ocupa hoy se gestó en la década de 1960. El Modelo Estándar no podía explicar por qué las partículas tenían masa. En 1964, tres grupos de científicos: Peter Higgs, un físico escocés de la Universidad de Edimburgo, Escocia, Reino Unido, François Englert y Robert Brout, en Bélgica y Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble, en Estados Unidos, trabajaban ese asunto.

Los cinco autores de las ponencias PRL de 1964, quienes recibieron el Premio Sakurai por su trabajo. De izquierda a derecha: Kibble, Guralnik, Hagen, Englert y Brout.

Todos llegaron a una idea similar: si el universo estuviera lleno de un campo invisible que interactúa con las partículas, eso podría explicar el origen de la masa. A ese mecanismo se le llamó mecanismo de Brout-Englert-Higgs, aunque popularmente se conoce como el mecanismo de Higgs, porque fue el reservado físico británico quien más claramente predijo la existencia de la partícula. Pero quedaba una pregunta crucial: si ese campo existe, ¿dónde está la prueba?

Según la física cuántica, cada campo tiene una partícula asociada. Para el campo electromagnético, es el fotón. Por lo tanto, para el Campo de Higgs, debería existir una partícula: el bosón de Higgs. Pero encontrarla no sería fácil. Se necesitaba una energía enorme, tecnología avanzada y, sobre todo, paciencia.

Durante casi 50 años, esta partícula fue el Santo Grial de la física de partículas, la pieza que faltaba en el Modelo Estándar, la teoría más completa sobre las partículas fundamentales y sus interacciones existente hasta el momento. El bosón de Higgs es muy difícil de detectar por ser extremadamente inestable y desintegrarse en menos de un zeptosegundo (miltrillonésima parte de un segundo, 10-21 segundos). Encontrarla requería recrear las condiciones energéticas del universo primitivo. Para ello, se construyó a partir de 1998 la máquina más grande y compleja jamás creada por el ser humano: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), cerca de Ginebra, Suiza. Un anillo de 27 kilómetros de circunferencia enterrado a 100 metros bajo tierra, donde haces de protones son acelerados al 99.9999991% de la velocidad de la luz y se hacen chocar frontalmente.

El bosón de Higgs, como ya mencioné, es una partícula que tiene una masa muy grande, equivalente a unas 130 veces la de un protón. Para producir esas partículas, hace falta concentrar en un punto del espacio una enorme cantidad de energía, que es lo que se consigue en el Gran Colisionador de Hadrones, donde se hacen choques protón-protón a unas energías muy grandes, ya que los protones se mueven a velocidades muy cercanas a la de la luz. Al concentrarlo en un punto, toda esa energía cinética que llevan los protones se transforma en partículas, y concretamente se producen bosones de Higgs. No solamente eso, sino que con los detectores se pueden medir sus propiedades y comprobar que coinciden con las predichas por la teoría».

La búsqueda del bosón de Higgs comenzó de forma concienzuda en 2008, cuando el LHC entró en funcionamiento. Anteriormente se había intentado en el LEP (un acelerador previo del CERN) y en el Tevatron (del Fermilab, cerca de Chicago, Estados Unidos). El primer intento en el LHC se vio interrumpido por una falla técnica catastrófica. Un conector eléctrico falló, causando una explosión de helio líquido que dañó más de 50 imanes superconductores. Fue un revés costoso, pero no definitivo. Los científicos pusieron manos a la obra. Tras un año de reparaciones y mejoras, el LHC volvió a encenderse. Y comenzó una carrera contra el tiempo.

Tras años de recolección de datos y de billones de colisionar, llegó el momento histórico. Aunque la primera observación exitosa se produjo en 2011, los científicos del CERN tardaron dos años en confirmar la existencia y detección de la partícula, necesitaban buscar patrones específicos y firmas características de esas partículas producidas, con el objetivo de no cometer un error en el ansiado anuncio. El 4 de julio de 2012 será recordado como uno de los días más importantes de la física moderna. En una sala llena de científicos, periodistas y emociones contenidas, dos equipos del CERN, el ATLAS y el CMS— presentaron sus resultados.

CERN. Un ejemplo de simulación a partir de los datos de la desintegración dos protones de muy alta energía generando un Bosón de Higgs en el detector CMS del LHC en el CERN.

Ambos habían detectado una señal inusual: una partícula con una masa de aproximadamente 125 gigaelectronvoltios (GeV), que se desintegraba en las formas predichas por la teoría del bosón de Higgs. «Observamos una nueva partícula, consistente con el bosón de Higgs», dijo Fabiola Gianotti, portavoz del experimento ATLAS. La sala estalló en aplausos. Peter Higgs, presente en la audiencia, se limpió una lágrima. Había esperado 48 años para ver confirmada su teoría. “Nunca pensé que esto sucedería en mi vida”, dijo con humildad. Un año después, en 2013, Peter Higgs y François Englert recibieron el Premio Nobel de Física. Robert Brout ya había fallecido (el Nobel no se otorga póstumamente), pero su contribución fue reconocida por toda la comunidad científica.

Cordon Press. Peter Higgs propuso la existencia de un campo y una partícula asociada a él, responsables de la existencia de masa en las partículas fundamentales.

Una década después de su descubrimiento, el estudio del bosón de Higgs no ha hecho más que comenzar. No es el final de un camino, sino la puerta de entrada a una nueva física. Los científicos del LHC ahora miden las propiedades de este bosón con extrema precisión: cómo se desintegra, cómo interactúa con otras partículas. Cada medición es una prueba para el Modelo Estándar. Cualquier desviación, por pequeña que sea, podría ser la grieta que lleve a otra física, a la comprensión de la materia oscura o la energía oscura, que constituyen el 95% del Universo y de las cuales el Higgs podría ser una pieza clave.

Ese descubrimiento se logró gracias a la colaboración de miles de científicos, ingenieros y técnicos de más de 100 países. Costó miles de millones de dólares, décadas de trabajo y un nivel de precisión asombroso. Pero el precio no fue solo económico: fue un costo de imaginación, perseverancia y fe en el método científico. No fue solo una confirmación de una teoría. Fue la pieza final del Modelo Estándar, el marco teórico que describe todas las partículas conocidas y sus interacciones.

Sin el campo de Higgs:

• Los electrones no tendrían masa, y no podrían orbitar los núcleos atómicos.
• Los protones y neutrones no se formarían.
• No existirían los átomos, ni las moléculas, ni la vida.

En otras palabras, el bosón de Higgs no es solo «una partícula más». Es la razón por la cual el universo tiene estructura.

Aunque el modelo estándar está completo, no responde a todas las preguntas. ¿Qué es la materia oscura? ¿Por qué hay más materia que antimateria? ¿Cómo se une la gravedad a la física cuántica?

El bosón de Higgs podría ser una puerta hacia respuestas más profundas. Algunos físicos sospechan que podría interactuar con partículas desconocidas, o que podría tener «primos» aún más pesados. Incluso hay teorías que sugieren que el Campo de Higgs podría no ser estable… y que, en el futuro lejano, podría desencadenar una catástrofe cósmica (Pero no se preocupe y siga disfrutando de su voda: si eso ocurre, será sería en miles de millones de años, si nosotros por nuestros egoísmos e irracionalidad no destruimos al Planeta Azul antes).

Anécdotas y momentos clave

• El nombre “Higgs” llegó por el mérito de su formulador, pero varios científicos contribuyeron a la idea, y el premio Nobel de Física de 2013 fue otorgado a Peter Higgs y François Englert por ese marco teórico.
• Se dice que Higgs escribió su artículo seminal en 1964 en solo un fin de semana, tras el rechazo de un trabajo previo, y que la revista Physics Letters casi no lo publica por considerarlo de «poca relevancia para la física».
• La carrera por descubrir el bosón de Higgs fue una carrera de décadas entre instituciones y equipos de científicos: buscar señales débiles en un fondo de datos enorme requirió avances en detección, computación y análisis estadístico.
• La imagen de una “partícula fantasma” que define la masa de todo lo visible convirtió ese tema en un puente entre la física teórica y la experiencia cotidiana: sin masa, no habría nada tangible a nuestro alrededor.

El bosón de Higgs no es solo una partícula exótica. Es la manifestación del campo que da forma a nuestra realidad, el arquitecto invisible que, al otorgar masa a las partículas, permitió que se formaran los átomos, las estrellas, los planetas y, en última instancia, la vida. Su descubrimiento fue un monumento al ingenio humano, a la curiosidad que nos impulsa a desentrañar los misterios más profundos del cosmos. Así que la próxima vez que sienta la solidez de un objeto o se mire en el espejo, recuerde: su masa, su existencia, su realidad misma, dependen de un campo invisible que permea todo el cosmos. Un tenue y omnipresente campo que interactúa con todo, un eco del Big Bang que aún resuena en el vacío. y de una partícula que lleva el nombre de un físico modesto que, en 1964, tuvo una idea que cambió la historia.

Referencias

• Bosón de Higgs. Wikipedia. https://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n_de_Higgs
• Freire, Noelia. El Bosón de Higgs, la «partícula de Dios» que tardó medio siglo en ser observada. National Geographic. 11 de abril de 2024. https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/boson-higgs-particula-dios-que-tardo-medio-siglo-ser-observada_22019
• Gómez, Mar (presentadora). 22 de agosto de 2024. Los misterios del bosón de Higgs. [Episodio de podcast de audio]. Planeta oculto. https://www.ivoox.com/misterios-del-boson-higgs-t2xe18-audios-mp3_rf_132502760_1.html
• Pilar, Samuel A. Bosón de Higgs: qué es y por qué es tan importante. RTVE.es. 10 de abril de 2024. https://www.rtve.es/noticias/20240410/boson-higgs-por-tan-importante/16054089.shtml
• Saez, Cristina. Diez años después del mediático bosón de Higgs, los físicos intentarán completar el puzle del universo. https://www.lavanguardia.com/ciencia/20220704/8383296/fisicos-preparan-seguir-desentranando-secretos-universo.html