A la caza de la partícula de Higgs

Al aportar 500 millones de dólares (72.000 millones de pesetas) en los próximos ocho años a la construcción del próximo acelerador de partículas del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), junto a Ginebra, Estados Unidos participa por primera vez en un acelerador fuera de su territorio, que debe abrir nuevas fronteras a la física. El LHC (Large Hadron Collider) entrará en servicio en 2005 y ocupará el mismo túnel circular que el actual acelerador LEP. La aportación de EE UU apenas alcanza el 10% del coste total del proyecto (870.000 millones de pesetas) pero facilita su construcción.La gran unificación entre el CERN junto a Ginebra, y EE UU ha centrado su atención, una vez más, en una de las partes más sorprendentes de la física moderna: el origen de la masa. ¿Qué es lo que confiere en el Universo la propiedad conocida como masa? ¿Por qué tienen las partículas la masa que tienen? Por ejemplo, ¿por qué el exótico leptón tau tiene una masa 3.491 veces superior a la de su primo inseparable, el electrón? ¿Por qué algunas partículas, como el fotón, no tienen masa en absoluto?

En cualquier teoría unificada de la materia, los valores de la masa de las partículas deberían salir fácilmente de las ecuaciones, pero, hoy por hoy, no salen. El modelo estándar de la física tiene un gran éxito a la hora de explicar muchas cosas sobre el mundo subatómico y cuántico -como la organización jerárquica de los quarks (los constituyentes fundamentales del núcleo atómico) y de los leptones (como los electrones) en familias ordenadas- pero no hace predicciones específicas sobre la masa que deberían tener todas estas partículas, ni siquiera sobre por qué debería existir una jerarquía basada en la masa.

Los valores de masa deben ser tratados como dados, valores arbitrarios que no tienen otra explicación. Los físicos consideran esto poco satisfactorio, ya que implica que pasa algo que no conocen. Bajo el modelo estándar debe haber una física en la que la explicación de la masa sea una consecuencia natural. Una solución podría ser defender un campo de fuerza que se extendiese por todo el universo. Este es el llamado campo de Higgs, que debe su nombre al físico teórico Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, Escocia. Las partículas adquirirían la masa gracias a una interacción mayor o menor con el campo de Higgs. La física cuántica establece que todos los campos tienen asociada una partícula, o familia de partículas, que interviene en los efectos observados del campo. De la misma manera que los campos electromagnéticos tienen sus fotones, el campo de Higgs tendrá su o sus partículas, los bosones de Higgs.

En el LEP (acelerador de electrones-positrones que funciona actualmente en la CERN) se podrían encontrar indicios del bosón de Higgs, pero el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, en sus siglas inglesas), en el que EE UU centra su interés y que está previsto que empiece a funcionar en el CERN en el año 2005, funcionará con energias mucho mayores y sin duda está mejor adaptado para esta tarea.

La búsqueda del bosón de Higgs tiene un problema adicional: nadie sabe cómo es.

En el mundo de la física de altas energías del CERN, y en otros lugares, la masa y la energía se miden con una única moneda: el electronvoltio (eV). Los experimentos para encontrar la partícula de Higgs dependen bastante de la gama de energías accesibles a una máquina dada. En aceleradores de partículas, o con más precisión colisionadores, como el LEP y el LHC, las partículas son creadas a partir de la energía liberada por las colisiones a alta velocidad entre electrones y positrones (LEP) o protones (LHC). Debido a la famosa ecuación de Einstein según la cual la energía es igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (una cifra muy alta), hace falta una cantidad enorme de energW para crear una partícula muy pequeña.

Las masas de las partículas de Higgs dependerán de otros factores, como la masa del quark top. Si los valores experimentales de la masa del quark top, el último descubierto, son más o menos correctos, la partícula de Higgs debería tener una masa de alrededor de 130 GeV (un giga o mil millones de electronvoltios). El LEP puede examinar energías de hasta 100 GeV, así que es poco probable que vea señales de Higgs directamente.

Pero si las viese, una partícula de Higgs ligera (por debajo de los 100 GeV) implicaría uña física completamente nueva, más allá del modelo estándar, que se revelará en las energías TeV (un tera o un billón de electronvoltios) accesibles en el LHC.

La idea del campo de Higgs procede de un concepto más abstracto, el de la simetría. Con las enormes energías supuestamente presentes en la bola de fuego del Big Bang, se cree que las cuatro fuerzas de la naturaleza -la gravedad, el electromagnetismo, y las fuerzas nucleares fuertes y débiles- debieron ser muy parecidas. Se debieron de percibir de más o menos la misma manera a distancias similares y las partículas que intervinieron en las fuerzas habrían tenido una masa similar. Pero a medida que el universo se fue enfriando, la energía necesaria para sostener esta unificación se disipó y las cuatro fuerzas se separaron en los cambios conocidos como "ruptura de simetría".

El electromagnetismo y la fuerza débil son, en el mundo de bajas temperaturas moderno, muy diferentes. El electromagnetismo se puede percibir a kilómetros de distancia; la fuerza nuclear débil es insignificante a distancias mayores que un núcleo atómico y es responsable de un montón de fenómenos como la desintegración radioactiva. Sin embargo, hay pruebas fehacientes de que ambas fuerzas son aspectos de la misma fuerza subyacente, de que son consecuencia de la ruptura de una simetría que se produjo en los albores de la historia del universo.

La fuerza electrodébil está ahora bien fundada, salvo por un aspecto: la existencia del campo de Higgs y de su partícula o partículas acompañantes. La teoría predice que las interacciones electrodébiles deberían ser llevadas a cabo por una variedad de partículas: cuatro, para ser exactos, dos neutras y dos con carga eléctrica. Una de las partículas neutras es el fotón, que no tiene masa.

Las otras tres partículas deberían tener masa para que el sistema funcionase: efectivamente, se han descubierto las partículas W con carga positiva o negativa, y la partícula Z neutra.

Cuando el electromagnetismo se separó de la fuerza nuclear débil, el campo de Higgs obligó a que la simetría se rompiese de tal forma que el fotón no tiene masa, mientras que las dos partículas W y la partícula Z adquirieron masas significativas. El campo de Higgs debe existir para que la teoría de la fuerza electrodébil funcione.