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Hace unos días, el 4 de julio de 2012, el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares, mejor conocido como CERN, por las siglas de su nombre original en francés, anunció que, según los resultados de los experimentos CMS y ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones, mejor conocido como el LHC, por sus siglas en inglés (Large Hadron Collider), se realizó el descubrimiento de una nueva partícula subatómica que tiene una masa de 125 veces la masa de un protón.
Esta nueva partícula podría ser el bosón de Higgs, la partícula más buscada en la física de partículas, este hallazgo científico puede considerarse el más importante del mundo en los últimos 100 años. El LHC se encuentra en la frontera entre Francia y Suiza, es el acelerador de partículas más grande y potente del mundo y se considera el instrumento científico más complejo que se ha construido en toda la historia de la humanidad, al grado de que su construcción duró 12 años, de 1998 a 2010.
La noticia del descubrimiento se extendió rápidamente por el mundo y apareció en diferentes medios. La importancia de este descubrimiento radica no sólo en el enorme esfuerzo financiero, técnico y teórico que realizaron diferentes científicos y países de todo el mundo, incluido México, sino por el papel fundamental que juega el bosón de Higgs en la naturaleza.
¿Qué es el bosón de Higgs, cómo se ha buscado durante los últimos 20 años y qué importancia tiene? Sobre ello hablaremos en las siguientes líneas.
El llamado bosón de Higgs es una partícula fundamental de tamaño subatómico, con masa bastante grande, en comparación con el resto de las partículas elementales, y sin carga eléctrica. Se dice que es fundamental porque, hasta donde sabemos, no posee estructura interna. Además, de acuerdo a la teoría más avanzada de las partículas elementales que tenemos actualmente, conocida como el “Modelo Estándar”, es a través de su interacción con los bosones de Higgs que las partículas elementales adquieren su masa.
En otras palabras, el Higgs es un ingrediente clave para que puedan formarse las estructuras estables que componen el universo visible como los núcleos atómicos, los átomos y las moléculas. Las partículas con masa, como el electrón, el protón y el neutrón juegan un papel indispensable en la formación de la vida. En consecuencia, sin el Higgs no podría haber vida en el Universo.
Al bosón de Higgs se le da el nombre de bosón porque en la física esta palabra está reservada para denotar aquellas partículas que tienen un valor entero (0, 1, 2, etc.) de una propiedad interna que se llama espín, la cual es de origen cuántico y, aunque no existe una analogía fidedigna en nuestro mundo cotidiano, se puede comprender como resultado de una especia de giro intrínseco de las partículas, las cuales se pueden imaginar como pequeños trompos que constantemente giran alrededor de algún eje de rotación. Las partículas que tienen un valor semi-entero (1/2, 3/2, etc.) de espín se llaman fermiones. Un descubrimiento muy importante de la física cuántica es que todas las partículas que existen en la naturaleza son solamente de dos tipos: bosones o fermiones.
Desafortunadamente, en los medios se le llama en ocasiones la “partícula de Dios” al bosón de Higgs, pero en realidad no tiene nada que ver con Dios, ni con ninguna religión. El nombre viene de un libro de divulgación que se publicó en 1993, que escribió León Lederman, un físico norteamericano que ganó el premio Nobel en 1988 y que a pesar de que, junto con su equipo de físicos e ingenieros, buscó por muchos años esta partícula en el Laboratorio Fermi de Estados Unidos, nunca la encontró. Por eso su libro se iba a llamar “La Partícula Maldita” (“The Goddamn Particle”), pero su editor le cambió el nombre a "La Partícula de Dios" (The God Particle) para favorecer la venta del libro.
El bosón de Higgs aparece como consecuencia del llamado “mecanismo de Higgs”, el cual se cree opera en el universo. A través de dicho proceso la naturaleza permitió la diferenciación entre dos fuerzas fundamentales de la naturaleza, la fuerza electromagnética y la fuerza débil, la primera es responsable de todos los procesos en los que participan cargas eléctricas, y la luz, mientras que la segunda es responsable de algunas desintegraciones radioactivas.
De acuerdo a nuestro conocimiento actual, al inicio el Universo se encontraba en un estado inestable y simétrico donde las fuerzas electromagnéticas y débiles eran indistinguibles y las partículas elementales no poseían masa. A medida que el universo se expandió y se enfrió, llegó un momento en el que su estado se volvió más estable a consecuencia de un cambio en el campo de Higgs, mismo que dio lugar a que éste se volviera, por así decirlo, pegajoso. En consecuencia, las partículas elementales que se desplazan a través de dicho campo encuentran ahora cierta resistencia al moverse dando la impresión de ser pesadas, adquiriendo así la propiedad que conocemos como masa.
El mecanismo de Higgs fue desarrollado por varios científicos en la década de los 60 y recibe su nombre en honor a uno de ellos, Peter Higgs, quien incorporó las ideas de la teoría especial de la relatividad en el marco teórico que describe el mecanismo mencionado.
Debido a que su masa es muy grande, el bosón de Higgs sólo puede ser creado a muy altas energías en un acelerador de partículas. Encontrarlo era uno de los objetivos principales del LHC. Las primeras búsquedas del Higgs se realizaron previamente con el LEP (el antecesor del LHC en el CERN) y con el Tevatron (el acelerador del Laboratorio Fermi, ubicado cerca de Chicago en Estados Unidos), pero no tuvieron éxito. Fue hasta la llegada del LHC que se detectó lo que pudieran ser las primeras evidencias a favor de la existencia del bosón de Higgs, cuyos experimentos empezaron a recolectar datos resultantes de las colisiones entre protones de gran energía en 2010. En el pasado, se había realizado una búsqueda exhaustiva del Higgs que no tuvo éxito en LEP (un acelerador previo del CERN) y en otro acelerador ubicado cerca de Chicago en Estados Unidos conocido como el Tevatron del Laboratorio Fermi.
El propósito del LHC es hacer acelerar y hacer chocar protones (o núcleos más pesados) para obtener una energía de choque equivalente a la masa de 14 mil protones, recreando de este modo algunas de las condiciones que existieron durante las primeras fracciones de segundo después de que se creó el Universo. Esta energía es tan alta que equivale a una temperatura en el punto de choque 100 mil veces mayor que la temperatura del centro del Sol.
A estas energías tan altas, pero sobre todo tan concentradas, es posible crear nuevas partículas pesadas que pudieron existir solamente durante una fracción de segundo después de la creación del Universo.
La nueva partícula descubierta es, casi con certeza, un bosón, pero en cuestión de uno o dos años se podrá confirmar si se trata del bosón de Higgs. Su detección se llevó a cabo de forma indirecta, analizando sus productos de desintegración, ya que esta nueva partícula es altamente inestable y se desintegra en tiempos sumamente cortos.
El grupo asociado al detector CMS consiste de más de 2100 físicos y estudiantes de posgrado entre los que participan investigadores y estudiantes del CINVESTAV-IPN, la Universidad Iberoamericana, la Universidad Autónoma de San Luis Potosí y la BUAP, incluyendo participación de profesores de la UMSNH como investigadores invitados. En el experimento ATLAS hay también participación de mexicanos asociados a instituciones fuera de México.
De todas las partículas que incorpora el modelo actual, solamente nos falta por descubrir el bosón de Higgs. En caso de confirmarse que la nueva partícula descubierta en el LHC corresponde en efecto al tan anhelado bosón de Higgs habremos logrado un avance considerable en nuestra comprensión de la manera en que operan las partículas elementales y las fuerzas que existen entre ellas, cerrando el Modelo Estándar para continuar buscando nuevas partículas que nos permitan entender otros fenómenos que no podemos explicar con el modelo actual, como por ejemplo la existencia de la “Materia Obscura”.
Los Dres. Juan Carlos Arteaga Velázquez, Alfredo Raya Montaño, Víctor Manuel Villanueva Sandoval y Luis Manuel Villaseñor Cendejas son investigadores del Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
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