Elementos de aproximación al bosón de Higgs

El estudio de colisiones entre partículas ha revelado la existencia de otras dos interacciones o fuerzas fundamentales. La interacción fuerte permite explicar la cohesión de los núcleos atómicos a pesar de la repulsión electrostática de los protones. Esta interacción, de muy corto alcance, está en el origen de la división del conjunto de partículas en dos grandes categorías. Por una parte, del griego "hadrós", denso, "los hadrones" (protón, neutrón, pion, etc.) sensibles a la interacción fuerte; por otra, "los leptones" (electrón, muon, neutrino, etc.) insensibles a esta interacción. En cuanto a la interacción débil, de alcance aun más reducido que la anterior, permite explicar, entre otros fenómenos, ciertas formas de radioactividad, concretamente, beta.

Estas fuerzas fundamentales, excluida la gravitatoria, fueron sintetizadas en varias etapas. La síntesis de Maxwell aglutinó todos los fenómenos relacionados con el electromagnetismo. Primero, Faraday y Ampère reagrupan las leyes de Coulomb relativas a la electroestática y las del magnetismo, dando lugar al electromagnetismo. En un segundo tiempo, las leyes de la óptica ondulatoria de Huygens y Fresnel se integran por Maxwell en el electromagnetismo.

Posteriormente, la síntesis electrodébil consistió en conjuntar la interacción electromagnética de Maxwell, a partir de la electrodinámica cuántica (Heisenberg, Pauli, Dirac y Feynman), y la interacción débil (Fermi). La síntesis electrodébil implica que las interacciones puedan considerarse como un intercambio de partículas, "bosones" (en honor del físico indio Bose), entre partículas sometidas a la interacción, "fermios" (en honor de Fermi). En electromagnetismo, el bosón de intercambio es el fotón, de masa nula, mientras que en la interacción electrodébil hay tres bosones de intercambio de masa no nula con cargas positiva, negativa y neutra. Esta síntesis, particularmente confirmada por la evidencia empírica del descubrimiento de los tres bosones cuyo rango de masa preveía la teoría, exige no obstante, para ser totalmente aceptada, que otra partícula, el bosón de Higgs (que en rigor debería llamarse de Brout-Englert-Higgs) sea detectada. Además, la síntesis electrodébil, ha llevado a introducir seis partículas elementales, "quarks", constitutivas de los nucleones (protones, neutrones) junto con una energía mínima necesaria a la realización de la síntesis.

Ahora bien, en ninguna de las síntesis precedentes se ha integrado la fuerza gravitatoria –y son por tanto teorías incompletas- con el resto de las interacciones. En aras de una "superunificación" se necesitarían energías muy elevadas –del orden 10 potencia 19 GeV, giga-electronvoltio- o distancias muy pequeñas, como la distancia de Planck. En este contexto, se requeriría una teoría cuántica de la gravitación con una descripción de la interacción correspondiendo a intercambios de un nuevo bosón llamado "gravitón". Además, la superunificación obligaría a deslastrarse, al menos a gran escala, del "principio de equivalencia" de la relatividad general. En esta síntesis, y no es un fenómeno menor, aparecería la "supersimetría" que asociaría a toda partícula una "superamiga" transformando bosón en fermio y viceversa. Conviene aclarar que el alcance infinito de las interacciones electromagnética y gravitatoria habría que atribuirlo, en esta síntesis, a la masa nula de las partículas que las vehiculan; el gravitón debería tener, como el fotón, masa nula y alcanzar la velocidad de la luz.

Con estos precedentes en mano, se entienden mejor las noticias relativas al descubrimiento de una entidad subatómica, que quizás sea el bosón de Higgs, aparente Grial de la física de partículas. La física de partículas –teoría incompleta incluso si se descubre el bosón de Higgs- se estructura en el Modelo Estándar de la Física de Partículas, cuyas características generales vistas precedentemente se sintetizan como sigue. 1.- Describir el mundo con el menor número posible de ingredientes; 2.- Tener en cuenta las simetrías de comportamiento observadas entre los distintos tipos de partículas; 3.- Describir las interacciones en términos de intercambio de partículas; 4.- Descripción unificada de tres de las cuatro principales fuerzas que actúan en la naturaleza.

Puestas así las cosas ¿por qué es tan importante el bosón de Higgs? Por varias razones pero la principal es que el edificio teórico de la síntesis electrodébil, sin el bosón de Higgs, sufre un fallo mayor. El principio director de la construcción del Modelo Estándar reposa en la simetría ínsita en sus ecuaciones. Es imprescindible que la masa de las partículas sea nula para respetar el formalismo matemático subyacente relacionado con "la teoría del campo de gauge" (teoría de la calibración). Pero en la versión inicial de la teoría electrodébil los quarks y leptones tenían masa intrínseca al tiempo que la "invariancia de gauge" lo prohibía. La solución vino en 1964 de los trabajos de Higgs, Brout y Englert inspirándose en un fenómeno sin relación con la física de partículas: la supraconductividad (la desaparición total, a baja temperatura, de la resistencia eléctrica)

La remodelación de la teoría electrodébil inicial, transformada en Modelo Estándar, permite que los quarks y leptones adquieran masa gracias a la interacción con el bosón de Higgs. Como si los susodichos bosones fueran la manifestación de un campo o fluido que bañara todo el Universo transmitiendo masa a otras partículas.

Paradójicamente, si "solo" se descubre el bosón de Higgs se habrá logrado un gran triunfo ingenieril –esto es, del acelerador de hadrones, LHC, de Ginebra- pero desde el punto de vista de la física se habrá entrado en un callejón sin salida, al no responder a otras cuestiones esenciales, sin haber resuelto el problema que representa ser una teoría incompleta incapaz de predecir, verbigracia, que los neutrinos tienen masa.

*Economista y matemático