El bosón de Brout-Englert-Higgs

El descubrimiento anunciado en el CERN el 4 de julio del 2012 que va a ser una fecha fácil de recordar, es realmente importante. Hay muchos aspectos distintos que valorar.

El video del anuncio del descubrimiento se puede ver aqui.

Un poco de historia

No hay más remedio que empezar haciendo un poco de historia. El llamado Modelo estándar de las partículas e interacciones fundamentales, que describe lo que su largo nombre indica (aunque normalmente se excluye a la gravedad de este conjunto por ser poco relevante o al menos muy desconocida a
escalas subatómicas) se construye a lo largo de varias décadas sobre la base de la Teoría Cuántica de Campos (que combina la Mecánica Cuántica y la Relatividad Especial, los pilares de la Física como la entendemos hoy) y las llamadas Teorías de Yang-Mills (a veces llamadas de forma poco precisa Teorías gauge; poco precisa porque las Teorías de Yang-Mills no son las únicas que están basadas en este tipo de simetrías).

La estructura de estas teorías obliga a que, para incluir en el Modelo Estándar las partículas e interacciones observadas, haya siempre que añadir partículas nunca observadas al modelo, para completar grupos (multipletes), lo que se convierte en una predicción de estas teorías. La situación es muy parecida a la que siguió a la creación de la Tabla Periódica de los elementos por Mendeleiev, con casillas vacías que se fueron rellenando al descubrirse nuevos elementos. Las partículas predichas por estas razones fueron descubiertas en las décadas subsiguientes. Todas.

El llamado bosón de Higgs (que sería más justo llamar de Brout-Englert-Higgs) no es predicho por estas razones. Hay otras razones por las que hay que incluír partículas en el Modelo Estándar y que son equivalentes a pedir su simple consistencia como teoría. Básicamente son dos: la ausencia de anomalías cuánticas, que obliga a incluir multipletes enteros y la renormalizabilidad. Es esta última la que nos obliga a incluír al bosón de Higgs.

Antes de añadir el bosón de Higgs al modelo, se tenía un modelo que incluía a todas las partículas e interacciones observadas (hasta el 3 de julio de este año), pero que no tenía la propiedad de ser renormalizable. El problema era cómo modificar mínimamente el modelo para hacerlo renormalizable
sin cambiar sus propiedades más importantes (en particular la simetría gauge).

La única forma que se les ha ocurrido a los físicos teóricos es la de implementar un mecanismo llamado ruptura espontánea de simetría, que es una idea muy bella, simple y profunda que está asociada (también) a cambios de fase. En estos cambios de fase, partículas que no tenían masa, la adquieren y aparece además un bosón (partícula de espín entero, no semientero como los fermiones) que genéricamente se llama de Goldstone y en el caso concreto que nos ocupa, de Higgs.

Quiero señalar que implementarlo en el Modelo Estándar implica que hay una fase en la evolución del Universo en la que hay una cierta simetría que de hecho se «rompe» (desaparece), produciéndose un cambio de fase en el Universo, lo que tiene implicaciones cosmológicas.

La idea de la ruptura espontánea de simetría se origina en Anderson (físico de la materia condensada y premio Nobel) en 1958 y su implementación hunde sus raíces mucho más atrás (Stückelberg, 1938). Su implementación en el contexto de las Teorías de Yang-Mills a las que corresponde el Modelo Estándar fue
hecha independientemente por Brout y Englert y por el británico Higgs en 1964. Habitualmente (podéis verlo en el video de anuncio del descubimiento, que esta accesible en la pagina del CERN indicado al principio) se cita a Brout y Englert primero, luego a Higgs y luego a Kibble, Hagen y Guralnik, que es el orden en el que se publicaron los tres artículos originales. Es de destacar que el artículo de Higgs (Phys. Rev. Letters 13 (1964) 508), enviado y publicado dos meses más tarde que el de Englert y Brout incluye la siguiente nota:

essentially the same conclusions have been reached independently by F. Englert and R. Brout Phys. Rev. Letters 13 (1964) 321. These authors discuss the same model quantum mechanically in lowest order perturbation theory about the self-consistent vacuum.

Aunque su artículo es más claro y contiene la formulación que ahora se utiliza más, en mi opinión Higgs se ha apropiado (posiblemente de forma involuntaria pero sin oponer demasiada resistencia) de la toda la idea, al serle dado al mecanismo y al bosón su nombre, pero es completamente injusto ignorar a Brout y a Englert. El primero ya esta muerto. El segundo ha hecho muchas otras contribuciones y aunque estaba sentado al lado de Peter Higgs en el auditorio los periodistas apenas lo han mencionado.

El mecanismo es implementado en su version más sencilla (hay muchísimas) en 1967 en el Modelo Estándar por Weinberg y Salam y en 1972 se demuestra que así el modelo es renormalizable (‘t Hooft) y por ello consistente. A partir de ese momento el mecanismo de (ruptura espontanea de simetría à la) Higgs
se consagra como una parte esencial del Modelo Estándar. Pero el mecanismo predice una partícula nueva (en su versión más simple, porque en otras hay más «bosones de Higgs») que es un bosón de espín cero con masa que nadie ha visto. Hay muchos bosones conocidos (como el fotón), pero todos de espín uno. Nunca se se había observado hasta ahora uno de espín cero.

En los 40 años siguientes se encontraron todas las partículas predichas por el Modelo Estándar salvo el bosón de Higgs y al mismo tiempo se han elaborado teorías para todos los gustos sobre su existencia, masa, multiplicidad, su «elementalidad» (si está o no compuesto de otras partículas o es «elemental»)… El Modelo Estándar tiene que cumplir muchos criterios de consistencia y el mecanismo de Higgs es fundamental para que se cumplan varios. Por otro lado, el Modelo Estándar describe el mundo que observamos con la mayor precisión jamas alcanzada por un modelo científico. Así que el mecanismo de Higgs tendría que ser cierto, pero la partícula cuyo descubrimiento lo confirmaría no aparecía. Muchos pensaban (y piensan) que en cierto sentido la vida sería mas interesante si no apareciese porque eso nos obligaría a replantearnos los fundamentos de lo que sabemos y produciría un caos benéfico que conduciría a una nueva revolución científica.

No es exagerado decir que el bosón de Higgs es la piedra angular del Modelo Estándar (al menos del sector que describe las interacciones electrodébiles), en parte por ser descubierto el último. El papel que juega a través del mecanismo de ruptura espontánea de simetría es también muy especial (eso del origen de la masa (no de la materia, como dicen muchos periodistas) que voy a intentar explicar ahora) y, como dije antes, tiene importantes implicaciones cosmológicas (pero no nos dice cuál es el origen del Universo, como también dicen muchos periodistas). Además, el esfuerzo tecnológico, económico y humano que se ha hecho para buscarle ha sido inmenso y da para pensar en futuras empresas que la Humanidad podría realizar y que forzosamente implicarán a más de una generación.

La física del bosón de Higgs

Para la física actual, el espacio-tiempo esta «relleno» de entidades llamadas campos (uno por cada tipo de partícula conocida). Estos campos están en su estado de mínima energía, llamado vacío (a no confundir con la nada). Las excitaciones de los campos sobre el vacío son las partículas que observamos.

Un modelo de andar por casa: en un mundo cubierto de agua, si esperamos suficiente, el agua llegará a su estado de mínima energía, formando charcos, estanques… Ése sería el vacío. Las excitaciones del vacío se pueden visualizar como perturbaciones de la superficie del agua que se producen en un punto y se propagan como ondas. Como sabéis, la Mecánica Cuántica asocia una partícula a cada onda y viceversa (eso de la dualidad onda-partícula de de Broglie que antes se enseñaba en el instituto), de forma que esas ondas que se propagan son equivalentes a partículas propagándose.

Las excitaciones del campo electrónico son los electrones, las del electromagnético, los fotones y las del campo de Higgs, el bosón de Higgs.

Las propiedades mas importantes de un campo son las de su vacío porque determina las propiedades de las partículas asociadas y, si hay interacciones, las de otras partículas. El vacío del campo de Higgs después de ocurrir la ruptura espontánea de simetría son tales que muchas partículas que antes no
tenían masa, la tienen después. Es el vacío del campo el que da masa a las partículas, no el bosón de Higgs, aunque está asociado a él.

Se suele utilizar como analogía de las partículas moviéndose en el vacío del campo de Higgs la de peces moviéndose en el agua con más o menos fricción (el director de mi instituto y algunos de mis colegas lo hacen), pero a mí me parece muy mala analogía porque un medio como el agua es un sistema de referencia absoluto, con respecto al que te mueves o no te mueves. Eso no existe en la Física después de Einstein: el movimiento es relativo a un sistema de referencia arbitrario. Tener o no tener masa no depende de moverse. En un medio como el agua, la fricción depende de la velocidad y si los peces no nadan, acaban parándose. En el vacío del campo de Higgs las partículas adquieren una determinada masa inerte y se mueven con velocidades constantes indefinidamente si no interactuan con nada (primera ley de Newton).

Más que ser un medio, el vacío de Higgs es una alteración de las propiedades del espacio-tiempo que se manifiesta a través de la masa de algunas partículas.

No os preocupéis si no lo entendéis: yo tampoco lo entiendo. Estoy acostumbrado a ello, opero con ello, lo manipulo, pero no tengo una comprensión del fenómeno y de la relación entre masa inerte (la que aparece en
la segunda ley de Newton o en la relación de Einstein $$E=mc^2$$, masa gravitatoria (sobre la que actuaría el campo gravitatorio, aunque esto es mucho más complicado) y el vacío del campo de Higgs que a mí me satisfaga. Creo que mi situación no es singular y que éste es uno de los grandes misterios que tenemos ante nosotros. Encontrar el bosón de Higgs confirma que algo de lo anterior está pasando, que es más que una teoría, y estimula la investigación en esa dirección.

Hay mucho más que decir sobre el vacío porque es uno de los temas en los que más se está investigando (la energía oscura que contribuye a más del 70% de la energía del Universo podría ser simplemente una manifestación de las propiedades del vacío del campo gravitatorio).

Desde el punto de vista del experimento

Haber encontrado una partícula nueva, un bosón de espín cero, en el LHC es un triunfo mayúsculo. Cuando se empezó a hablar del LHC hace 25 años, muchos pensaban que colisionar hadrones (que son partículas compuestas, cuyas colisiones son muy «sucias») era incompatible con detectar nada. Si estalla una granada y recogéis los trozos, podríais recomponer la granada, pero si estalla un polvorín con munición y bombas de todos los calibres, ¿seríais capaces de identificar al vuelo los trozos de una única granada y recomponerla? Esto es lo que se hace en el LHC y requiere una tecnología (de vacío, de criogenia, de superconductores, de adquisición y almacenamiento de datos…) que no existía cuando se diseñó y que se ha desarrollado sólo para el LHC.

25 años significan muchas generaciones de doctorandos trabajando en un proyecto que la mayoría no ha alcanzado a ver finalizado. En el futuro (si la crisis no nos devuelve a la Edad Media) veremos muchos más proyectos así. La ciencia requiere de esfuerzos colectivos cada vez mayores que se prolongan en el tiempo durante generaciones. Esto requiere una gran estabilidad política, económica y social. El LHC es un signo de los grandes logros de la paz en Europa tras la Segunda Guerra Mundial, sin ninguna duda. La duda es si va a haber más proyectos así.

Algunas cosas a señalar:

 

1. Queda un largo camino para identificar si es un bosón de Higgs lo que se detecta y cuál es de todos los predichos en los numerosos modelos. Dependiendo de cuál sea, puede haber indicios de nueva física y
   nuevos descubrimientos.

 

1. Dada la complejidad de los experimentos, es extremadamente difícil encontrar algo que no se busque, tras lo cuál no haya una teoría o un modelo. El experimento no va por delante, sino al revés. En parte es el signo de los tiempos. Por otro lado, es imposible realizar un experimento en ninguna especialidad científica sin un marco teórico o conceptual mínimo que dé significación a lo que se está haciendo.

 

1. Por hacer el LHC se acabó sacrificando muchos otros peque nos experimentos. No había presupuesto para todo y se decidió concentrarlo todo en el mayor. Un gran riesgo, porque podría no haber funcionado. Ha sido un éxito, pero se ha perdido diversidad.

 

Desde el punto de vista de la comunidad científica (de Física de altas Energías)

Os podéis imaginar los que es hablar del bosón de Higgs durante 40 años y descubrirlo. El descubrimiento es obra de literalmente miles de físicos, ingenieros, técnicos, obreros…

Los resultados de CMS y Atlas se iban a anunciar en la conferencia de Melbourne pero al final decidieron anunciarlos directamente desde el CERN. Cuestión de mercadotecnia. Han intentado crear tanta expectación
(rumores, filtraciones, anuncios) como con el anuncio del nuevo IPhone y lo han logrado. En esta época hay que hacerlo así para poder seguir pidiendo dinero. Creo que esto el CERN lo ha hecho muy bien, compaginando la auto-propaganda (bien merecida) con la divulgación científica a una escala que hace mucho que no se veía para un acontecimiento de este tipo.

Impacto económico etc.

Se debate mucho sobre la ciencia pura y la aplicada, spin-offs, puestos de trabajo creados, subvenciones…

El CERN depende exclusivamente de subvenciones públicas directas e indirectas. No tengo información sobre el número de patentes que tienen, pero diría que pocas o ninguna (serán las universidades e institutos que colaboran los que las tengan), pero se desarrolla tecnología punta y se forma a personal altamente cualificado con experiencia en estas tecnologías. No hay formación profesional, másteres etc. que forme a nadie en estas áreas a este nivel y tener a esta gente aquí es en sí mismo un gran beneficio. Creo que la mayoría de los países miembros así lo entienden y por eso siguen contribuyendo. Los grandes, además, tienen sus propias instalaciones competidoras (en el pasado, ahora son casi simples comparsas) que ahora siguen haciendo experimentos y formando científicos y técnicos.

No puedo hacer una evaluación directa del impacto económico que el CERN tiene, aunque creo que, de una forma global, es muy positiva.

En el caso de España, el CERN ha formado a muchos científicos y técnicos, pero, más allá de la formación científica y técnica específica, el CERN ha enseñado a muchos los que significa investigar en la frontera, participar en proyectos transnacionales, trabajar y competir en equipo al nivel mas alto, seleccionar al personal por sus méritos y no por enchufes… Un nivel de dedicación y esfuerzo altísimo: doy fe de que la biblioteca del CERN esta abierta las 24 horas del día, que siempre hay gente trabajando en algún despacho o laboratorio a altas horas de la noche, que allí se puede dedicar casi todo el tiempo a trabajar sin trabas administrativas, sin casi burocracia, con un salario que te permite no preocuparte al final de cada
mes. También doy fe de que sólo gente muy buena consigue una plaza permanente, gente bastante buena, puestos de 5 años (que casi nunca se convierten en permanentes) y sólo gente buena los de 2 (que pocas veces se convierten en uno de 5 años).

Si la Física es una de las áreas en las que España destaca, creo que es justo decir que en parte se debe a su participación en el CERN. Seguramente la participación de los astrofisicos en grandes proyectos internacionales ha tenido efectos parecidos.

Muy probablemente habrá quien piense que el CERN es un derroche de dinero. Creo que es imposible descubrir el bosón de Higgs inviertiendo menos. Y creo que el impacto que el CERN tiene sobre cómo se hace ciencia en Europa y en particular en España, bien lo vale.

Profesor de Investigación del Instituto de Física Teórica UAM/CSIC

Tags: CERN, Física, Higgs, partículas

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