El universo en el que vivimos está lleno de materia. La mesa que tenemos delante, el aire que respiramos e incluso nosotros mismos tenemos masa. Pero una de las preguntas más fundamentales de la física es esta. «¿Por qué tienen masa las partículas?» Si carecieran de masa, todas viajarían por el universo a la velocidad de la luz y no podrían unirse para formar átomos o moléculas. En otras palabras, el universo tal como lo conocemos no podría existir.
La clave para resolver este gran enigma es el bosón de Higgs (Higgs Boson). Esta partícula, a menudo apodada «la partícula de Dios», está relacionada con el mecanismo por el que adquieren masa partículas elementales como los electrones y los quarks. El bosón de Higgs era la última pieza que faltaba para completar el modelo estándar (Standard Model), la teoría más completa de la física de partículas. Tras décadas como hipótesis, por fin se descubrió experimentalmente en 2012, lo que abrió una nueva etapa en la física moderna. Aquí veremos qué es el bosón de Higgs y cómo dio peso a todas las cosas.
El bosón de Higgs, la última pieza del modelo estándar
Para entender el bosón de Higgs, primero hay que conocer el modelo estándar de la física de partículas. Esta teoría describe las partículas más elementales que componen el universo y las tres fuerzas que actúan entre ellas (la electromagnética, la fuerte y la débil). Según esta teoría, el universo está compuesto por 12 partículas elementales (quarks y leptones) y 4 partículas mediadoras (partículas que transmiten las fuerzas).
El modelo estándar era una teoría muy exitosa, pero tenía un punto débil decisivo. Según la teoría, todas esas partículas elementales debían tener una masa de 0. Sin embargo, en el universo real las partículas tienen cada una su propia masa. Para resolver esta contradicción, en 1964 varios físicos, entre ellos Peter Higgs, propusieron una hipótesis. Una energía invisible llamada campo de Higgs (Higgs Field) llena todo el universo, y las partículas adquieren masa al interactuar con ese campo. El bosón de Higgs es la huella que puede demostrar la existencia del campo.
El origen de la masa y el acoplamiento con el campo de Higgs
El proceso por el que el campo de Higgs confiere masa a las partículas se llama «mecanismo de Higgs». Desde el punto de vista físico, se puede entender intuitivamente como se explica a continuación.
- Interacción intensa con el campo de Higgs (masa elevada). Las partículas pesadas, como el quark top, presentan un fuerte acoplamiento con el campo de Higgs, y este acoplamiento está asociado a una masa elevada. Esto no significa que el campo de Higgs ejerza una fuerza de fricción que dificulte su movimiento.
- Interacción débil con el campo de Higgs (masa baja). El electrón tiene poca masa debido a su débil acoplamiento con el campo de Higgs. Su velocidad real depende de su energía y de su estado de movimiento.
- Ausencia de interacción (masa 0). El fotón no adquiere masa mediante el mecanismo de Higgs y se propaga en el vacío a la velocidad de la luz.
La masa de los electrones, los quarks y otras partículas está ligada a su acoplamiento con el campo de Higgs. Las partículas no pierden energía por fricción al atravesar el campo, y tener más masa tampoco implica que se muevan siempre más despacio.
Cómo se captó un instante fugaz en el descubrimiento del bosón de Higgs
El campo de Higgs se extiende por todo el universo, pero en condiciones normales no se puede observar directamente. Para demostrar que existe, hay que concentrar en él una enorme cantidad de energía y hacer vibrar el propio campo. La onda o partícula que se produce entonces es el bosón de Higgs. Así como al arrojar una piedra al agua en calma saltan gotas, al provocar una fuerte perturbación en el campo de Higgs se obtiene un bosón de Higgs.
- Colisión de energía ultraalta. En el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) se hacen chocar dos protones a una velocidad cercana a la de la luz.
- Producción fugaz del bosón de Higgs. La enorme energía en el punto de colisión excita el campo de Higgs y produce un bosón de Higgs que dura aproximadamente $10^{-22}$ segundos.
- Desintegración y análisis de señales. En cuanto se produce, el bosón de Higgs se desintegra en otras partículas (pares de fotones, pares de bosones Z, entre otras). Los detectores permiten reconstruir las trayectorias de los productos de la desintegración hasta su origen y, con ello, confirmar la existencia del bosón de Higgs.
Tras décadas de búsqueda, los científicos anunciaron oficialmente el descubrimiento del bosón de Higgs el 4/7/2012 a partir de los datos de detección de los experimentos del LHC. Así quedó plenamente demostrado en experimentos el mecanismo de Higgs, y Peter Higgs y François Englert recibieron el Premio Nobel de Física en 2013.
La «partícula de Dios» y el universo más allá de ella
El descubrimiento del bosón de Higgs es uno de los mayores hitos en la historia de la comprensión humana del universo. Con él se confirmó la última partícula que predecía el modelo estándar y que aún quedaba por descubrir. Siguen pendientes cuestiones que el modelo estándar por sí solo no explica del todo, como la masa de los neutrinos. El campo de Higgs desempeña un papel importante en la masa de partículas elementales como los electrones y los quarks. La mayor parte de la masa de los protones y los neutrones, sin embargo, procede de la energía de la interacción fuerte.
El descubrimiento del bosón de Higgs abre una nueva etapa en la investigación. El modelo estándar describe bien la materia que podemos observar, pero aún no da respuesta a las preguntas sobre la materia oscura y la energía oscura, que constituyen la mayor parte del universo. Los físicos miden ahora con precisión las propiedades del bosón de Higgs en busca de una clave para desvelar los secretos de un universo aún desconocido, más allá del modelo estándar.
