ESTRUCTURA Y DINÁMICA ¿DIVINA?, O EL BOSÓN DE HIGGS

ALGUNOS seguidores del blog Ancile (y amigos personales de quien suscribe estas líneas introductorias) me pedían que pergeñara siquiera alguna nota sobre el reciente hallazgo de la nueva partícula detectada (que muy pueda ser el tan ansiado bosón de Higgs para la teoría estándar de la física de partículas) en el CENR -European Laboratory for Particle Physics-, y más concretamente con el LHC (El gran colisonador de hadrones). Acepté llevar a término un bosquejo sobre el descubrimiento y alguna reflexión como consecuencia del mismo, mas con la única autoridad que me da el entusiasmo hacia la ciencia de la física, la astrofísica y la cosmología, así como los muchos años de interesada lectura e investigación personal sobre tan fascinantes disciplinas.  Así las cosas ruego disculpen las seguras limitaciones de esta exposición que, sin embargo, no olvida el rigor que precisa cualquier debate en torno a sus puntuales contenidos y severas exigencias de planteamiento y declaraciones al respecto de sus argumentos, presentación e hipótesis. Será muy recomendable para los no iniciados en el tema acudir de manera puntual a las notas a pie de página, pues pueden ser útiles para la comprensión de algunos términos y conceptos, aunque también pueden ser omitidos si así lo desean, pudiendo quedarse con algunas de las aseveraciones y consecuencias excepcionales que aporta este discurso sobre tan excepcional acontecimiento.

ESTRUCTURA Y DINÁMICA ¿DIVINA?,

                              O EL BOSÓN DE HIGGS

LA constelada contemplación de los asterismos celestes y el sugestivo deslumbramiento que  produce su mirífico avistamiento, si bien desde siempre suspendió a la raza humana con misteriosa curiosidad y mítico (y místico) apremio, cabe hoy, no obstante, también señalarse para puntuales e interesados motivos de raciocinio científico lo que fuese antaño de extremo y extraño encantamiento.  La fascinación por el cielo nocturno viene dada, al margen de la estética sugerida ante tan admirable y prodigioso espectáculo de los cuerpos celestes que iluminan  intensamente (sobre todo en lugares limpios de polución lumínica) el firmamento, por las innumerables (e inevitables interrogantes) que inspira su extraordinaria visión, y todo esto al margen de ser avisado o profano en el ámbito de la ciencia astronómica[1]; interrogantes que, aquel que, sin duda extasiado, con curiosidad observa tan impresionante ceremonia de luces y colores -que dirían expandirse infinitamente-, no cejará, digo, de interrogarse con innumerables y, en principio, enigmáticas cuestiones. Desde la observación atenta de la inmensidad del espacio quizá sea desde donde mejor se incite a inquirir en el asunto nada baladí del por qué las cosas son como son y no de otra manera. La consistencia (¿aparente?) de la materia hace que el universo sea como es y plantea desde tiempos inmemoriales no pocas, capitales y profundas interpelaciones y demandas al intelecto y comprensión humanos.

 Desde Demócrito, la intuición (en principio) y la constatación experimental (después) de que aquello que conocemos como sustancia material del mundo es algo consistente y desde luego físicamente mensurable, viene dada por la existencia y comprobación material de un sustrato de partículas elementales: reconocibles por su masa, unas, y por la singular capacidad de interacción, otras, que, mediante su arbitraje energético (y sin masa) dan forma al ámbito material que reconocemos, groseramente, en la percepción directa y sensorial del mundo. No obstante, también cabe colegirlas a través de la deducción e inferencia matemática (aplicada a aquel domino físico), casi siempre antes de su apreciación experimental.

A través de diversos y cada vez más complejos procesos de investigación, amparados estos por avances tecnológicos extraordinarios, se pensó que, más pronto que tarde, tendría que encontrarse, de existir, aquella partícula última que diera consistencia a la teoría compleja y prolijamente elaborada que entendía que diferentes partículas integrarían la materia y sus diferentes fuerzas[2] en interacción. Para que aquello que entendemos como materia sea lo que hoy reconocemos que es, era preciso la existencia de una partícula básica capaz de aportar el elemento imprescindible fundamental de la materia, es decir la masa, y no sólo eso, además dicha masa debía ser creada al mismo tiempo por esta fracción elemental, o lo que viene a ser lo mismo: si este bosón (partícula última elemental) tiene masa y la masa la crea dicha partícula, debe colegirse que esta partícula tiene la singularidad de crearse a sí misma (¿de la nada?).

 Así las cosas, será de esta porción mínima, última y primera (¿divina?) de lo material sobre la que debatiremos breve y muy singularmente, nos referimos al tan traído y llevado en estos últimos meses bosón de Higgs[3]. El descubrimiento, anunciado en 2013, de una nueva partícula, parece ser cierto en un 99,9999 por ciento, más adelante se verá si en realidad se trata de la mencionada y ya célebre partícula -de Dios- (también, si tiene espín cero –si no gira  sobre sí misma-, cualidad inequívoca; además, habrá de contrastarse si sus interacciones -con el resto de partículas- coinciden con las predicciones teóricas del modelo estándar).

Las partículas descritas por la teoría estándar[4] pueden ser clasificadas: con masa (electrones, neutrinos, quarks) y aquellas otras (como los fotones, gluones) que no la tienen (en virtud de la conservación del principio de simetría)[5], así como las W y Z[6] que también actúan como mediadoras en la dinámica subatómica y que, no obstante, sí tienen masa; mas, serán todas ellas (incluido el propio bosón de Higgs), al fin,  responsables  de que la noche y su ingente espectáculo visible de luminarias (e incluso el no visible –materia y energía oscura-) del universo sea tan increíblemente deslumbrante y complejo como es.  

Sin embargo, hay una cuestión previa que aquí interesa entender antes de la constatación misma de la existencia de dicha partícula,  y es la referencia del denominado mecanismo de Higgs,[7] descrito y  designado como campo de Higgs, donde debería encontrarse  el singular bosón que, finalmente, habría de ser el responsable de dar masa a otras partículas para hacerlas materialmente consistentes. Análogo al campo de Maxwell, cuya partícula asociada en este caso sería el fotón (en el que se mueven los bosones sin masa), este ingenio teórico se propone fundamental para poder explicar la masa de aquellas anunciadas partículas interactivas W y Z  mediante las que, sin violar el principio

de simetría, podemos explicar cómo la masa[8] interactúa para constituir la propia materia, y todo ello, enunciábamos, predicho y descrito cabalmente por la actual teoría de partículas elementales (decíamos estándar). Así pues, podíamos exponer, analógicamente, que este campo actuaría impregnando todo el universo– y su energía de vacío- como una suerte de sustancia  (líquida y transparente se ha llegado incluso a describir) causante de la fricción entre partículas, y cuya resistencia al movimiento -a través de este fluido- emularía, precisamente, la masa.[9] Se colige de todo lo anteriormente expuesto la imperiosa necesidad de demostrar su existencia, pues, sin este bosón y su inferido mecanismo de campo tendríamos que construir una nueva teoría de partículas elementales para entender el universo.

Si bien el bosón de Higgs no puede verse ni tocarse, ni siquiera fotografiarse (y resultando de muy  difícil captación y entendimiento –y  por tanto por mostrarse muy alejado del denominado sentido sensorial  -y común), es de una importancia capital su constatación experimental. Todo parece indicar, a tenor de los descubrimientos en el CERN[10] que, si bien parece haberse verificado la existencia de una nueva partícula, de resultar esta ser el bosón de Higgs, la totalidad de las consecuencias teóricas y aun prácticas deducibles de su demostración  están todavía por evaluar.

Si, cómo adelantábamos en la nota anterior, el concepto de masa es uno de los más intrigantes y enigmáticos de la física, también parece cada vez más claro que mediante este puede ser que al fin comencemos a comprender la interacción entre todo aquello que nos rodea (concepto unido indefectiblemente también al de inercia[11]) y que nos hace movernos en el mundo macrocóspico –reconociendo que este no es más que un conjunto de átomos y estructuras ínfimas en particular interacción- con una cierta garantía de orientación en su complejo y extraordinario funcionamiento físico. Así pues, puede afirmarse sin temor a equívoco, que la noche admirablemente constelada y todo lo que contiene viene a ser la suma de todas las masas de estas partículas invisibles y sus complejas y dinámicas interacciones.

Lo que en primer caso parece del todo evidente según la teoría estándar, es que, sin la consistencia anunciada y de la que participa el bosón de Higgs, todo lo que compone el universo no podría haberse coagulado en compactos materialmente coherentes (incluidos nosotros mismos, los observadores nocturnos) y vagarían(mos) a la velocidad de la luz en total inconsistencia por el espacio de manera irremisible.

En consecuencia de todo lo apresuradamente expuesto será  inevitable, sin embargo, que surjan de manera inmediata interrogantes ante la propuesta inicial de la existencia de tan prodigiosa partícula, por ejemplo: ¿cuál es el origen de esas masas?  ¿Cómo es que existen diferentes magnitudes de masas? ¿De qué manera interactúan

aquellas partículas con masa?

Diríase que un campo sutil (el campo de Higgs) permeabiliza todo el universo, situación que puede explicar la interacción de las partículas con más o menos masa, y que las perturbaciones que agitan y alteran dicho campo sean, precisamente, partículas de Higgs.

La manera de producir (artificialmente) las perturbaciones en el campo de Higgs será acelerando dos haces de protones a velocidad cercana a la luz y hacerlos colisionar. Con precisos mecanismos de detección podrán registrarse las trayectorias y energías surgidas de la desintegración de los quarks y gluones colisionados, entre los que debería detectarse este particular bosón, [12] diferenciado del resto (sin contaminación), proceso que, como cabe deducirse, no es técnicamente nada fácil de llevar a cabo.[13] Puede, finalmente,  afirmarse, que todas aquellas partículas sin masa, al interaccionar con el campo de Higss,  acaban adquiriéndola.

La confirmación de la existencia  de este bosón daría ocasión excepcional, no solo de completar y confirmar todo el aparato teórico de la teoría estándar, también para responder a cuestiones tales como el origen del mismo universo en relación a los procesos que tuvieron lugar inmediatamente después del Big Bang y, quizá también para explicar las interrogantes sobre la ruptura de la simetría materia-antimateria que tuvieron lugar en aquellos críticos momentos. De hecho, aún es un enigma el significado de la asimetría materia-antimateria en la actualidad del universo, y desconocemos también el mecanismo que ha producido dicha ruptura. Así también, la denominada materia oscura,[14] podría encontrar explicación en virtud del descubrimiento de este bosón (aunque traspasando ya el ámbito de la propia teoría estándar ya que entramos en el dominio de la denominada teoría de la supersimetria[15], de la que se colige la existencia de una partícula (supersimétrica) que explicaría la materia oscura, aunque a la sazón de este razonamiento, en realidad, debería de haber más de un Higgs para explicar coherentemente la realidad de dicha materia oscura  -se especula que muy bien pueden concurrir hasta cinco tipos de este bosón-).

Si Stephen Hawking perdía una apuesta memorable[16] sobre la existencia o inexistencia de dicha partícula, reconocía al pairo de los nuevos indicios experimentales, la importancia del descubrimiento, estableciendo analogía en este campo de la física con el que tuvo lugar en el ámbito de la biología, en referencia al descubrimiento del ADN en

su momento (aunque, desde luego, salvando las distancias entre uno y otro: el ADN es un código, cuya consecuencia dinámica primordial es la dependencia de su interacción con el entorno; no es lo mismo que el bosón de Higgs que, como decíamos, no tiene dependencia para ser con el entorno, este bosón es en sí mismo: tiene masa y la masa la crea dicha partícula, por lo que se colige que esta se crea a sí misma. La trascendencia del descubrimiento es enorme porque, no sólo parecería que al fin completaríamos los estudios sobre la estructura de la materia, sino  que por fin estaríamos en disposición de dar el salto al estudio de la dinámica de aquella.

En cualquier caso, estamos ante un hito verdaderamente histórico en el ámbito general de la ciencia, y concretamente en el domino de la física, la astrofísica y la cosmología. En no demasiado tiempo (seguro que en menos del que podemos sospechar) tendremos ocasión de corroborar la excepcional importancia de este descubrimiento, pues al albur de este seguirán  otros nuevos, y acaso igualmente de significativos, quién sabe si no directamente relacionados con aquél.

La belleza del espectáculo estelar de las noches (de mis noches) de observación sideral, con este descubrimiento serán, seguro, aún más estimulantes y sugestivas. Me daría del todo por satisfecho si, además, a alguien no iniciado, a través de la lectura de este breve y apremiado opúsculo, contagiara y aun empujara, siquiera por un instante, a mirar al cielo constelado e incitarle curiosidad suficiente para interesarse y dedicar algunos momentos a las reflexiones que prodiga la contemplación de tan extraordinario como insondable paisaje, el cual nos habla, sin duda, del origen del mundo que conocemos, todo lo cual viene a ser lo mismo que indagar sobre quienes somos, también del mundo que por su sugerencia podemos imaginar, e incluso de otros que, acaso, siquiera podamos ni soñar y que, no obstante, inevitablemente, también formarían parte de nosotros mismos.

Francisco Acuyo

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[1] Mi interés por la física (si bien soy un profano fascinado por tal disciplina) puede decirse que habría de marcar mi vida, si esta disposición me ha acompañado desde entonces, y aunque conviviendo en los ámbitos en los que sí me muevo con algún conocimiento académico fundamentado (la literatura, la poesía, el derecho e incluso la misma filosofía), de hecho desde mi más tierna infancia no podía de dejar de sentirme profundamente seducido por el mirífico  espectáculo del paisaje sideral que ofrecía la noche en las espléndidas latitudes donde tenía (y tengo mi residencia), por lo que es claro que mi pasión por  la astronomía (y de ella derivada  hacia la física y la astrofísica) no es por tanto cosa nueva ni mucho menos circunstancial. La cosmología, después, haría que entrase, mucha veces a saco, en los ámbitos de la física (y las matemáticas), si la(s) entendía como fundamento para la óptima compresión de aquello que observa con mi modesto telescopio en las noches de mi estupenda zona geográfica para la observación astronómica.

[2] Existen, descritos por la teoría estándar, cuatro tipos de fuerzas que interactúan en la materia a través de sus partículas fundamentales, fermiones y bosones, y serían: la interacción nuclear fuerte (responsable de mantener unidos los nucleones –protones y neutrones- en núcleo atómico, resistiendo la repulsión de la fuerza electromagnética); la interacción nuclear débil (se debe al intercambio de bosones W y Z que son muy masivos y que se observan en la desintegración beta y en la radioactividad); la interacción electromagnética (producida entre partículas con carga eléctrica) y, finalmente la interacción gravitatoria (la que origina la aceleración de un objeto físico en las cercanías de un cuerpo estelar; Einstein propuso que dicha fuerza, en realidad, es origen de una deformación del espacio tiempo –efecto geométrico-).

[3] Peter Ware Higgs, físico británico, padre de la teoría de la ruptura de la simetría en la hipótesis electrodébil, mediante la cual encontrar explicación del origen de la masa de las partículas elementales, concretamente en los bosones W y Z. Describe pues, el mecanismo mediante el que se infiere la estructura de existencia de una nueva partícula que acabó tomando su nombre: el bosón de Higgs.

[4] El denominado modelo estándar describe, atendiendo a la dinámica de la materia y la energía, las partículas elementales en sus diferentes interacciones. Para ello, este modelo se configura en dos vertientes de estudio fundamentales: el modelo electrodébil (teoría que unifica las interacciones débiles de las partículas con el electromagnetismo, dos de las dos fuerzas fundamentales de la naturaleza junto a la interacción nuclear fuerte y la gravitatoria), y la cromodinámica cuántica (teoría de campos que describe la fuerza elemental denominada interacción fuerte) que se caracteriza por aplicar un color a los quarks según la carga que posean, y sirve para describir las interacciones entre quarks y gluones. Según este modelo, las partículas que constituyen la materia, aparte de sus antipartículas asociadas, serían doce: seis leptones (electrón, neutrino e, neutrino mu, tau muón,y neutrino tau) y seis quarks (up, daw, charme, strange, top y bottom) con sus correspondientes cargas de color y carga eléctrica. Hay que añadir las denominadas partículas mediadoras de fuerza que interactúan  de manera recíproca influyéndose entre sí, tienen espín, en este caso de valor 1, denominándolas bosones. Serían: fotones (sin masa), bosones de Gauge W y Z y los gluones (sin masa) con sus ocho diferentes clases. El bosón de Higgs, de Espín 0, se conocía indirectamente hasta la fecha. Es fundamental para explicar el origen de la masa de determinadas partículas (los bosones pesados W y Z).

[5] También conocida como simetría de Gauge, debe cumplirse a escala mecánico-cuántica e implica a las tres fuerzas no gravitatorias: la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil).  Esta simetría incluye la invariancia de un sistema físico al ser sometido a diversas modificaciones en los valores de las cargas de fuerza, modificaciones que pueden cambiar de un lugar a otro y de un momento a otro.

[6] Partículas que, como ya anunciábamos en notas anteriores, son partículas mediadoras en la interacción nuclear débil y se caracterizan por ser muy masivas.

[7] Recordamos lo complicado que puede ser el diseño matemático que pueda describir este concepto de masa, uno para que proporcione dicha masa a las partículas y dos, que a un tiempo no contradiga el funcionamiento de la teoría estándar en la descripción de las interacciones entre esas partículas. El aporte matemático llevado  a cabo para este mecanismo lo propusieron en 1964 Robert Brout y François Englert y, después, el propio Peter Higgs.

[8] El concepto de masa en la física clásica es la medida que estima la cantidad de materia que posee un cuerpo pero siempre diferenciada de la cuantía o medida de sustancia (el mol), pues, es una propiedad intrínseca de los cuerpos  que va a determinar la masa inercial y gravitacional de estos. La noción capital (e insólita) de masa se radica como uno de los fundamentos de la física en relación al entendimiento de lo que la materia sea y, por tanto, de la realidad del universo que, con tanto deleite, gustaba escrutar esas noches de observación estelar.  La interacción del mundo tal y como conocemos dependía (en la teoría estándar) de la configuración y estructura de determinadas partículas subatómicas, entre las que se encontraba (virtualmente, entonces) el bosón de Higgs.

[9] Recuérdese la noción ya superada del éter.

[10] Organización Europea para la Investigación Nuclear. Se considera el mayor laboratorio de investigación nuclear del mundo y está situado en la frontera franco-suiza, entre la comuna de Meyrin y Saint-Genis-Poully.

[11] La propiedad que tienen los cuerpos de permanecer en estado de reposo o movimiento en virtud de que se le aplique o no un determinada fuerza.

[12] Hay que  destacar el carácter estadístico extremadamente complejo de este proceso.

[13] EL LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CNER es un acelerador y colisionador de partículas capaz de llevar protones a velocidades cercanas a la de la luz y hacerlos colisionar en forma de haces y en puntos de interacción extremadamente precisos, en torno a los cuales se colocan detectores (ATLAS y CMS) capaces de registrar las trayectorias y energías emergentes de aquellas colisiones que vienen a suceder con una frecuencia de 20 millones por segundo.

[14] Materia virtual que no emite radiación para ser detectada y cuya existencia se deduce de los efectos gravitacionales sobre la materia visible en estrellas y galaxias y en las anisotropías del universo. Se dice que dicha materia compone un 70% de la materia del universo.

[15] También conocida como SUSY, esta teoría propone la existencia de una hipotética simetría que relacionaría las partículas de la teoría estándar (fermiones) con los bosones (que tienen la fuerza interacción fuerte y electrodébil) de manera tal que cada bosón tiene una supercompañera fermión y viceversa. La teoría de supercuerdas basa su aparato teórico en esta hipótesis.

[16] Apuesta que hizo el célebre físico británico con su colega Gordon Kane, a la sazón profesor de la Universidad de Michigan, en la que establecía que dicha partícula jamás sería encontrada, estableciendo un envite de 100$, que parece haber perdido.