La 'divina partícula'

En abril de 1993 el entonces ministro inglés de Ciencia y Tecnología, Waldegrave, anunció públicamente que regalaría una botella de champán a quien fuera capaz de explicarle, en una página, qué era eso de la partícula de Higgs. En busca de tan suculento premio, se presentaron más de cien candidatos, de los que el ministro recompensó a cinco. Uno de ellos dio, además, con una metáfora imaginativa y diabólicamente próxima al fenómeno que tiene por protagonista a la dichosa partícula. Si el lector tiene suficiente paciencia, más adelante intentaré resumirle la explicación de David Miller, profesor del London's University College y ganador absoluto del concurso. Les aseguro que merece la pena aguantar unos párrafos para mejor apreciarla.La "divina" partícula (uno de los nombres que sugiere The God particle, según la ha bautizado Leon Lederman) ha estado de actualidad entre los científicos durante más de veinte años. Pero su cotización ha experimentado una notable subida a raíz del reciente acuerdo de construcción del gran acelerador LHC, en el laboratorio europeo CERN, cuyo declarado primer objetivo es, precisamente, su persecución y captura... si es que existe.

¿De dónde viene el interés en tan extraordinaria como hipotética partícula? Una de las cuestiones abiertas más profundas en el campo de la física de partículas elementales es entender qué es lo que genera la masa de los componentes básicos de la materia; por qué tienen la masa que tienen. Hasta hace bien poco la tabla de valores de esas masas ha tenido la consideración de dato inicial, sin ni siquiera imaginar que podrían explicarse en el marco de las teorías científicas. Plantearse preguntas de ese tipo implica haber llegado a un estadio en el que se vislumbra algún procedimiento para contestarlas. Nótese que las masas de ese manojo de partículas, junto con las intensidades de las interacciones básicas de la naturaleza, son los parámetros que permitirían, en principio, predecir las propiedades de cualquier sistema físico a partir de postulados muy generales. En las teorías usuales era fácil introducir como condiciones iniciales las masas que el experimento asignaba a las distintas partículas, sin mayores complicaciones. Pero cuando en los años setenta se afrontó, por primera vez, la construcción de una verdadera teoría unificada el intento tropezó con una dificultad especial. Si se fórzaban las masas de ciertas partículas a tener los valores que realmente tenían, nada menos que del orden de 100 veces la de un átomo de hidrógeno, entonces la teoría dejaba de tener sentido. Si se insistía en la unificación, las masas tenían necesariamente que ser cero, en flagrante contradicción con el experimento.

Por entonces, Peter Higgs, a la sazón profesor de la Universidad de Manchester, había ideado una especie de juguete teórico, sin aparente relación con el mundo real, pero de curiosas propiedades. Se trataba de cierto campo de fuerzas que, por su sola existencia, modificaba la estructura del vacío, como ocurre con cualquier otro campo (el vacío en mecánica cuántica es mucho más complejo y divertido de lo que su nombre parece sugerir). Pero, además, en ciertas condiciones era capaz de desestabilizarlo dotándolo de la propiedad de transferir parte de la energía contenida en el campo a otras partículas. Éstas adquirían así una masa que no tenían al principio y que nunca hubieran llegado a tener sin la existencia del campo de Higgs.

Al incorporarlo a la teoría unificada original el problema quedaba resuelto. Las partículas en presencia adquirían las masas correctas sin que las delicadas condiciones que dotaban de sentido a la teoría se resintieran. Era un mecanismo dinámico que, una vez entendido, podía aplicarse con generalidad y proporcionar una explicación válida para todas las partículas en términos de su interacción con ese campo. Pero vayamos a la metáfora ganadora del concurso ministerial para mejor entender la idea. El vacío es representado por una habitación en la que está teniendo lugar una recepción o algo por el estilo. La habitación está llena de personas que se mueven de un sitió para otro, en busca de canapés o de compañía, con una distribución aproximadamente homogénea. Es la situación en, que el campo de Higgs pervade: uniformemente el espacio sin, producir ninguna manifestación observable. Alguien que mire, desde lejos, un físico con su instrumento de medida por ejemplo, no verá ninguna estructura especial, nada que le indique que se encuentra ante algo distinto al vacío.

Supongamos que ahora hace acto de presencia en la recepción un personaje importante; en la versión original se trataba de la señora Thatcher; ustedes pongan el personaje que mejor les acomode. Inmediatamente se arremolinarán a su alrededor una serie de personas de las que deambulaban por la habitación, produciendo una aglomeración que irá moviéndose exactamente a lo largo de la trayectoria del personaje; se ha producido la interacción del campo de Higgs con una partícula inicialmente sin masa (en la metáfora, un personaje sin cortejo), de modo que parte de la energía potencialmente presente en ese campo se ha convertido en la masa de la partícula. El físico, que está ojo avizor, detecta inmediatamente el paso de un grumo de materia a través de la habitación y concluye que está pasando una partícula. La cantidad de gente arremolinada será proporcional a la capacidad de atracción del personaje; es decir, la masa medida será proporcional a la intensidad de la interacción con el campo de Higgs. Naturalmente, cada personaje que entre atraerá a más o menos público, por lo que el observador verá que pasan partículas con distintas masas.

Hasta ahora, el campo de Higgs se parece sospechosamente a una especie de éter inobservable directamente, muy del estilo del que atormentó a los mejores físicos de principios de este siglo, antes del advenimiento de la relatividad. Afortunadamente, la mecánica cuántica asegura que ese campo debe manifestarse directamente en forma de partículas cuyas propiedades se deriven de las del campo en cuestión, del mismo modo que el fotón, el cuanto de luz, es la manifestación cuántica del campo electromagnético. Esas partículas, nunca antes vistas ni imaginadas, son las de Higgs.

En la imagen anterior, aún sin personaje alguno que quiebre el vagar aleatorio de los asistentes a la recepción, resulta casi imposible que no se materialicen estructuras que llamen la atención del físico de guardia. En efecto, supongamos que en un punto cualquiera de la habitación surge un rumor. Algunas personas se acercarán a la fuente del rumor, produciendo el característico arremolinamiento. De éstas, algunas se alejarán del grupo inicial y se trasladarán a otros puntos en los que se producirán otros arremolinamientos de personas, que se moverán según el rumor se vaya esparciendo. El observador verá que ha aparecido un conjunto de partículas que se mueven e interaccionan entre ellas. La partícula de Higgs ha nacido.

Ahora resulta más aceptable la condición sobrenatural de semejante entidad. Como en una historia bíblica, el hombre debe limitarse a bautizar las partículas que va descubriendo, quark encantado, quark extraño, electrón, etcétera, pero sólo la partícula de Higgs, interaccionando con cada una de ellas, les infunde la masa que habrá de caracterizarlas para siempre. La desestabilización inducida por el campo de Higgs es equivalente a la ruptura de las prístinas condiciones de simetría de la teoría original, formulada sin que aparezcan masas de modo explícito. Dicha ruptura tiene lugar siempre que la temperatura se sitúe por debajo de un valor que es muy elevado, mucho más que cualquiera de los existentes en la actualidad en cualquier lugar del universo. Pero en una época muy remota, muy cerca del Big Bang, el universo primitivo estaba tan caliente que podía permanecer en las condiciones iniciales, sin que se produjera esa ruptura. Si, en la metáfora de Miller, el grado de agitación de los asistentes a la recepción es enorme, ni personajes ni rumores podrán crear condensaciones estables de gente; el vacío seguirá siendo homogéneo a ojos del observador. El universo era entonces tan unificado como lo es hoy, pero esa unificación era directamente visible y no estaba oculta, como ha venido ocurriendo desde una ínfima fracción de segundo después del Big Bang hasta ahora, una vez que se enfrió por debajo de un cierto umbral de estabilidad.

La partícula de Higgs es una extravagante creación, con algunos, rasgos a primera vista arbitrarios. Hoy nos parecen más naturales y son mejor comprendidos. Pero el hecho cierto es que no ha sido todavía encontrada y no hay indicios de ella en ninguno de los experimentos realizados hasta el momento. Podría no existir, podría darse el caso de que se haya ideado un mecanismo, básico en la formulación de cualquier teoría unificada y que resolvería el problema del origen de las masas, pero irreal en la forma concreta que los físicos le han dado, un artilugio matemático.

Lo que hoy parece estar claro es que si ese mecanismo, en la forma comúnmente aceptada, no se corresponde con la realidad, tiene obligatoriamente que existir otro equivalente. Y que el nuevo gran acelerador LHC, recientemente aprobado, debe solventar la cuestión, una de las más importantes nunca formuladas en el campo de la física. O bien la partícula de Higgs existe y aparece a las energías a las que. el acelerador es capaz de operar, o bien el mecanismo alternativo de fijación de masas se pone de manifiesto a esas mismas energías. O bien todo el esquema teórico puesto a punto en las últimas décadas está profundamente equivocado y su enorme poder predictivo se debe a la concurrencia de una serie de casualidades.

La orden de busca y captura de la partícula de Higgs se dio el pasado 16 de diciembre, fecha en que se aprobó la construcción del acelerador. Lo malo es que los preparativos, hasta completar la fase del LHC útil en la búsqueda de la "divina" partícula, se prolongarán, si algo no lo remedia, hasta el año 2008, nada menos. Esperemos que haya suerte y que antes de esa fecha tengamos noticias de Higgs.