Cooperación y método científico

El jurado del Premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica de este año ha fallado en favor del Laboratorio Europeo de Física de Partículas Elementales (CERN) y los físicos Peter Higgs y François Englert. Los miembros del jurado han valorado sin duda el sobresaliente trabajo experimental realizado en dicho laboratorio para alcanzar energías nunca antes exploradas en las interacciones entre partículas elementales y descubrir una nueva, llamada bosón de Higgs, cuya existencia fue predicha hace ya cincuenta años por los dos científicos galardonados, junto con Robert Brout, ya fallecido, en lo que ha venido a resultar una extraordinaria aventura del pensamiento científico. Ambos logros, el experimental y el teórico, han coincidido en el verano del año pasado; de ahí que se les conceda un galardón conjunto. Pero se trata de fenómenos muy alejados tanto temporal como conceptualmente.

El CERN fue creado a principios de los años cincuenta. Encarnó una de las iniciativas surgidas tras la Segunda Guerra Mundial para configurar un espacio europeo de cooperación que superara un pasado de enfrentamientos entre países del continente que habían culminado con frecuencia en guerras mortíferas. A lo largo de sus sesenta años de vida, el CERN se ha convertido en un ejemplo de colaboración científica entre los 20 países miembros, que contribuyen a su mantenimiento y utilizan sus instalaciones. Pero, dado su carácter único en el mundo, con instrumentos que no podrían ser costeados por ningún país por separado, científicos no europeos participan también en sus trabajos, de forma que puede considerársele el centro mundial de investigación experimental en Física de Partículas Elementales.

El laboratorio europeo

El rasgo más interesante del CERN es su organización como un conjunto de instrumentos al servicio de la comunidad científica. El grueso de su actividad y la casi totalidad de sus 2.500 empleados están dedicados a construir y mantener los aceleradores y las instalaciones, muy complejas técnicamente, imprescindibles para que todo el laboratorio funcione. Pero el programa científico y el uso de los instrumentos depende de científicos pertenecientes a universidades y centros de investigación de los distintos países miembros y asociados, que construyen partes de los detectores y acuden al CERN para realizar los experimentos. En cada momento, hay más científicos e ingenieros de fuera del CERN, en estancias de duración variable, que personal propio de la organización.

Resulta admirable el funcionamiento del engranaje por el que se ensamblan ideas y trozos de instrumentación procedentes de todos los rincones del mundo para componer las instalaciones científicas y conseguir que operen como un conjunto armónico y organizado. Y para integrar el conjunto de ideas e intereses de cada grupo en un programa de investigación dotado de una sólida lógica interna.

El instrumento más poderoso, en cuanto a sus prestaciones en energía y capacidad de análisis, es el colisionador de protones LHC (de Large Hadron Collider) y sus cuatro zonas de experimentación en las que operan los enormes detectores de partículas, tan asombrosos por su tamaño como por la precisión con la que registran el flujo de datos experimentales. El análisis de estos datos persigue desvelar las leyes que rigen las interacciones registradas o la existencia de partículas de muy corta vida mediante el estudio de sus productos de desintegración. El LHC fue concebido para confirmar, o refutar, la existencia de la partícula elemental que podía cerrar lo que llamamos la Teoría Estándar de Interacciones entre Partículas Elementales (TEIPE). Dicha teoría requiere para resultar “completa”, al nivel de nuestros conocimientos actuales, la existencia de una nueva partícula, la de Higgs, y su campo asociado. Pero, además, el diseño del LHC abre la posibilidad de encontrar pistas acerca de fenómenos que vayan más allá de la Teoría Estándar y que sirvan para avanzar en nuevos niveles de unificación.

La TEIPE es una magnífica construcción intelectual que permite comprender todos los datos experimentales obtenidos hasta la fecha

El verano pasado se dieron a conocer los primeros indicios claros de que en las colisiones a muy alta energía entre protones se estaban generando algunas de estas partículas, y la evidencia suplementaria obtenida después de esa fecha consolida el hallazgo. Se espera que, tras las mejoras que se están llevando a cabo en el acelerador y los detectores, pueda completarse el cuadro de propiedades de la partícula de Higgs y compararlo con las predicciones de la teoría. Ese es el punto de coincidencia entre una gigantesca maquinaria experimental y organizativa e hipótesis y cálculos que apenas ocuparon unas pocas páginas en revistas científicas publicadas hace cincuenta años.

En mi opinión, el descubrimiento del bosón de Higgs es comparable al descubrimiento de Neptuno por el astrónomo Johann Galle en 1846, predicho con anterioridad para explicar las anomalías de la órbita de Urano dentro del marco de la Mecánica de Newton, que había permitido explicar el movimiento de los astros. O con la confirmación de que los rayos de luz se curvan en un campo gravitatorio, un fenómeno predicho por Einstein en el marco de su Relatividad General y verificado en el eclipse de Sol de 1919. La TEIPE es una magnífica construcción intelectual que permite comprender todos los datos experimentales obtenidos hasta la fecha en base a una unificación parcial de las interacciones conocidas, cuya dinámica se asienta en la existencia de simetrías del mundo físico en sus niveles más elementales, muy abstractas pero muy poderosas desde el punto de vista predictivo.

Pero la teoría sólo es internamente coherente si es nula la masa de partículas, que son el equivalente para la interacción nuclear débil del cuanto de luz para la interacción electromagnética, cuando se sabe que estas partículas tienen que tener una masa distinta de cero (y muy elevada, cerca de 100 veces la masa del protón). Su existencia y sus propiedades fueron probadas también en el CERN en los años ochenta. No existía una forma simple de reconciliar ambos fenómenos: coherencia interna y masas distintas de cero. Lo que hicieron Higgs, Englert, Brout, y de forma distinta algunos otros científicos de la época, fue imaginar un mecanismo que pudiera dotar de masa a las partículas que lo necesitaban, al tiempo que se preservaba la coherencia interna de la Teoría Estándar.

La partícula de Higgs es un hermoso ejemplo del proceso de predicción y experimentación

Dicho mecanismo requiere de la existencia de un nuevo campo, llamado de Higgs, con propiedades bastante peculiares, en cuya interacción el resto de las partículas adquirieran su masa sin alterar la propiedad básica que asegura la coherencia de la teoría. Se trata de un mecanismo de una gran belleza conceptual aunque bastante artificioso, cuya manifestación experimental sería la existencia de partículas, llamadas también de Higgs. No se ha encontrado, en todos estos años, ninguna solución alternativa pero tampoco se había podido verificar en base a evidencia empírica directa.

El hecho de que, finalmente, se haya obtenido esa evidencia es un notable ejemplo de cómo funciona el método científico. A partir de datos experimentales, normalmente dispersos y sin lógica aparente, y de ideas teóricas, nuevas o generalización de otras precedentes, se puede llegar a la conclusión de que existen leyes de la naturaleza que dan sentido al conjunto de esos datos. Pero lo más interesante es que, a partir de estas leyes, es posible predecir el resultado de nuevas observaciones nunca antes realizadas. En el proceso de contraste predicción/experimento se afinan, se mejoran y se consolidan (o se refutan) las hipótesis teóricas. La partícula de Higgs es un hermoso ejemplo de este proceso con un final feliz (aunque provisional, como todo en ciencia).

El perfil y las características de quienes han hecho posible la predicción teórica, primero, y el hallazgo experimental, después, no pueden se más distintos. Como lo son sus competencias y su forma de trabajar. Sin embargo han convergido en el momento decisivo de la verificación de una hipótesis. Sin duda tanto unos (el CERN) como los otros (Higgs y Englert) merecerían una distinción como el premio Príncipe de Asturias por separado. Que se haya producido una tesitura en que sus trabajos coincidan en un gran logro científico, justifica la oportunidad de dicha distinción conjunta.

Cayetano López, físico, es Director General del CIEMAT y exdelegado español en el Consejo del CERN.