¿QUÉ ES LA
'PARTÍCULA DE DIOS'?
Los físicos la llaman “la
partícula de Dios” porque es la pieza que les falta para
comprender la estructura de la materia a nivel subatómico. Pero
confían en pescarla cuando dentro de poco tiempo se ponga en
marcha la máquina más poderosa jamás construida: el LHC.
Después de hacer dieta, sube usted a la báscula con la esperanza
de ver una cifra menor que hace unos meses; quiere perder peso, que
es el resultado de multiplicar su masa por la aceleración de la
gravedad. ¿Y qué determina la masa? Puede parecer una pregunta
bizantina, como aquella discusión medieval sobre el sexo de los
ángeles, pero a los físicos teóricos esta cuestión les carcome desde
hace medio siglo. Por fin han encontrado una respuesta: existe una
partícula, llamada bosón de Higgs,
responsable del valor de la masa del universo. Los científicos están
tan decididos a cazarlo que se están gastando miles de millones de
euros en construir un aparato para dar con él. Jamás se ha invertido
tanto dinero para encontrar una única partícula.
Los entresijos del átomo siguen guardando secretos
Pero comencemos por el principio. Todos sabemos que la materia está
hecha de moléculas, y las moléculas, de átomos. Estos, a su vez, se
organizan como una nube de electrones de una cien millonésima de
centímetro que rodea a un núcleo 100.000 veces aún más pequeño. El
corazón central es un conglomerado de neutrones y protones cuya masa
es miles de veces mayor que la de los electrones. Hasta este punto
los físicos saben por qué el átomo es como es, pero se les resiste
entender por qué las partículas
elementales tienen las masas que tienen. Hay muchas y con
enormes diferencias entre ellas; la más pesada, el quark top, es
350.000 veces más masiva que el electrón. El problema es de órdago.
Los físicos han desarrollado un modelo teórico que describe las
partículas elementales y las interacciones entre ellas… pero exige
que la masa de todas sea nula. Estos son los puzles que los teóricos
adoran.
Las ideas esenciales están en los campos
En 1964 el británico Peter Higgs propuso una elegante solución a
esta discrepancia. Supuso que todo el universo está ocupado por un
campo parecido al electromagnético. El concepto de “campo”,
introducido por el físico inglés Michael Faraday en el siglo XIX, es
uno de los más importantes de la física. En el espacio que nos rodea
no sólo hay materia. Si pudiéramos sacar de una sala hasta la última
mota de polvo y la última molécula de aire, no podríamos decir que
allí no queda nada. La prueba palpable es que, si lanzamos una pera,
caerá al suelo; hay algo que la hace caer que llamamos “gravedad”.
Dicho más correctamente, hay un campo gravitatorio cuya causa es el
planeta que tenemos a nuestros pies. Pero no sólo eso. Si lanzamos
en línea recta un electrón y analizamos su trayectoria, notaremos
que algo modifica su camino. Ese algo sólo influye en las partículas
con carga eléctrica; las neutras ni se enteran. Es el
campo electromagnético. Su
origen es la suma del magnetismo
terrestre, los efectos de las antenas, los televisores, el cableado
de la casa, los electrodomésticos, etc. En definitiva, una
fuerza no es otra cosa que el efecto de un campo; y la materia posee
propiedades –como la masa y la carga– que la hacen sensible a los
diferentes campos. La propuesta de Higgs fue revolucionaria: existe
un campo que llena el espacio, y cuando las partículas interaccionan
con él, adquieren masa.
La idea choca con la intuición. ¿No es la masa una propiedad
intrínseca de la materia? Para entenderlo, se suele recurrir a un
ejemplo: imagine que se encuentra en una fiesta y entra Jessica
Alba. Quienes están junto a la puerta se agrupan en torno a ella. A
medida que se mueve por la sala los asistentes más cercanos se ven
atraídos por la actriz, que se mueve con más dificultad que si
estuviera sola, pues todos intentan acaparar su atención. Este
efecto de acúmulo es el mecanismo de Higgs.
Mucho más que un número en la báscula
Así funciona la masa, que determina la resistencia de un cuerpo a
cambiar su estado de movimiento, la inercia. Su efecto lo notamos
todos los días en el autobús: cuando arranca nos vamos hacia atrás y
si da un frenazo nos vemos impelidos hacia adelante. Cuanta más masa
tengamos, mayor será esa resistencia y por eso la distancia de
frenada de nuestro coche con el maletero lleno es más larga que si
vamos de vacío. Como dice el teórico Brian Greene, “las fuerzas que
todos ejercemos miles de veces al día para cambiar la velocidad de
un objeto luchan contra la fricción del océano de Higgs”.
Hay sólo cuatro maneras de relacionarse
La teoría dice que este peculiar campo llena el universo y aporta
masa a todas las partículas que se mueven en él. Determinar si
realmente existe nos lleva a otra analogía. Si queremos comunicarnos
con un amigo podemos hacerlo de cuatro formas: de viva voz, por
teléfono móvil, por correo electrónico o por carta. Para cada una de
ellas hay un objeto que transporta la información: el aire, las
microondas, el cable ADSL y el papel. Con las
partículas subatómicas
sucede algo parecido. Las relaciones que puede haber entre ellas las
llamamos fuerzas. En la naturaleza hay cuatro: la gravedad, la
electromagnética y dos fuerzas nucleares; una es la fuerte, que
mantiene el núcleo unido, y otra la débil, responsable de la
desintegración radiactiva beta.
Pues bien, cada una de esas formas de comunicación lleva asociada
una partícula responsable de transportar la información. En el caso
de la electromagnética, la
partícula es el fotón;
para la gravedad es el
gravitón; y en la
fuerza fuerte, el
gluón –del inglés
glue, pegamento–. La débil tiene
tres partículas portadoras, los
bosones W+, W- y Zº. Así, en nuestra sala vacía, el campo
gravitatorio hace que la pera y la Tierra intercambien gravitones
como dos niños que se lanzan bolas de nieve. La fruta no nota el
campo electromagnético porque sin carga neta es como si no tuviera
la herramienta para recoger los fotones que le llegan.
Responsable de toda la masa del cosmos
Ya estamos en condiciones de responder a la pregunta sobre cómo
demostrar la existencia del campo de Higgs: encontrando su
partícula portadora, el bosón de Higgs. Desde el CERN de Ginebra
y el Fermilab de Chicago, los físicos de partículas llevan dos
décadas intentándolo. La búsqueda comenzó en los años 80, cuando
se asentó el llamado modelo estándar de la física de partículas.
Los teóricos habían conseguido poner orden en el complicado
mundo subatómico que estaba surgiendo de los
aceleradores de partículas.
Se había superado la crisis de los 60, cuando estos inmensos
instrumentos ponían en aprietos a los investigadores al producir
más y más partículas cada vez que se enchufaban. Pero en 1962
entró en juego el físico Murray Gell-Mann y anunció una forma de
agruparlas que llamó “el camino óctuple”, en alusión a la
filosofía budista. Su teoría predecía una nueva partícula, la
W-, que fue descubierta al año siguiente. Dos años después Gell-Mann
lanzaba los quarks al ruedo de las partículas elementales. Los
físicos ya eran capaces de responder a la pregunta planteada por
los filósofos griegos hacía más de 2.000 años:
¿de qué está hecha la materia?
El marco teórico es el modelo
estándar, que podemos resumir así. Existen dos estirpes
principales de partículas de
materia, quarks y leptones. Hay quarks de seis sabores
y se agrupan en tres familias de dos:
up –arriba– y
down –abajo–;
strange –extraño– y
charm –encantado–;
bottom –valle– y
top –cima–. Los leptones
también pueden ser de seis sabores: el electrón y su neutrino;
el muón y el neutrino muónico, el tau y el neutrino tauónico.
Los leptones se pueden encontrar solos en la naturaleza,
mientras que los quarks siempre aparecen en parejas o en tríos,
y se mantienen unidos mediante los gluones. Son los ladrillos
con los que se construyen el resto de las partículas.
Una época dorada para resolver misterios
Tenemos explicadas las partículas; es el turno de las fuerzas. A
finales de los 70, Glashow, Salam y Weinberg acariciaron el
sueño de los físicos teóricos: reunir bajo una única descripción
matemática las cuatro fuerzas de la naturaleza. El primer y
esperanzador paso de los tres científicos fue encontrar una
forma de describir bajo una misma formulación la fuerza
electromagnética y la débil. Entre sus predicciones se
encontraban los transmisores de la fuerza débil, los bosones W+,
W- y Zº. Pero si estas partículas existían debían tener unas
masas muy elevadas, y eso colocaba en un punto peligroso al
modelo estándar. Nadie podía explicar por qué el fotón no tenía
masa y los nuevos bosones eran tremendamente pesados. Para
resolverlo venía de perlas el
campo de Higgs.
El reto de los 80 fue encontrar el quark más pesado, el
top, y demostrar que los
bosones W+, W- y Zº existían. Las máquinas para detectarlos
debían producir bastante energía, que dependía de cuánto fuera
su masa. A finales de los 70 las mejores estimaciones teóricas
apuntaban a “cientos de veces la masa del protón”. Una
valoración no muy exacta, pero suficiente para que el CERN
decidiera gastar 100 millones de dólares en encontrarlo.
Eran momentos de euforia: parecía que el Santo Grial de la
física estaba al alcance de la mano, una teoría final que
gobernaría las fuerzas y las partículas del universo. Desde los
años 40 muchos lo habían intentado, hasta Einstein. Nadie se
había acercado a conseguirlo. En enero de 1983 el italiano Carlo
Rubbia, responsable de la búsqueda, anunciaba haber encontrado
los dos W. Seis meses después aparecía el Z. Sólo faltaba el
quark top, que cayó en 1995
gracias al otro gran acelerador, el Tevatron del Fermilab, en
Chicago. El modelo estándar estaba completo… salvo por el bosón
de Higgs.
En los últimos años,
en Chicago y Ginebra se han realizado experimentos para poder
atisbar alguna traza de su existencia. Los físicos saben que es
difícil pues la energía necesaria para verlo está por encima de
sus posibilidades. Se han dedicado a hacer chocar partículas en
los aceleradores para ver si sonaba la flauta, pero para
encontrar a la madre de todas las masas hace falta una máquina
más grande. A finales de los 80 los americanos diseñaron el SSC,
el supercolisionador que se quería construir en Texas. En 1987
los científicos dijeron al Congreso norteamericano que costaría
4.400 millones de dólares y en 1992 ya iban por 12.000 millones.
Era demasiado, teniendo en cuenta que la Estación Espacial
Internacional (ISS) tenía un coste parecido. Para los
congresistas norteamericanos el estado no podía invertir en
ambos proyectos y el SSC fue cancelado. En Europa, el CERN
decidió desmantelar su acelerador, el LEP, y construir otro
capaz de alcanzar una energía suficiente para ver el Higgs, el
Large Hadron Collider (LHC).
Después de diversos retrasos se pondrá en funcionamiento a
mediados de este año y su coste habrá sido de entre 3.000 y
6.500 millones de euros.
Del bosón depende el camino de la física teórica
¿Y si no se diera con ella? El edificio de las partículas
elementales, que con tanto cuidado han ido construyendo los
científicos durante el último medio siglo, se desplomaría. “El
campo de Higgs, el modelo estándar y nuestra imagen de cómo Dios
hizo el universo depende de encontrar el bosón de Higgs”,
comentó hace más de una década Leon Lederman. Las dos pasiones
de los físicos están enfrentadas. Dar con él implicaría que han
hecho un buen trabajo y que sus ideas sobre la materia son
correctas: sería la demostración del poder de la teoría, del
pensamiento puro, para entender el mundo. No encontrarlo les
diría que han pasado algo por alto, que sus ideas iban bien pero
se torcieron, que hay nuevos misterios que desentrañar. Y para
un científico los buenos misterios son la salsa de su vida. Fuente
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