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¿Cómo transfiere masa el bosón de Higgs al fermión?

Lo que les da masa a las partículas es su interacción con el campo de Higgs

Colisión entre protones en un experimento del Laboratorio Europeo de Física de Partículas en busca del bosón de Higgs.
Colisión entre protones en un experimento del Laboratorio Europeo de Física de Partículas en busca del bosón de Higgs.

Para darte una respuesta debo explicarte antes qué es el bosón de Higgs y qué son los fermiones. Todas ellas son partículas elementales o fundamentales, es decir, son partículas que ya no se pueden dividir más. Nosotros y todo lo que observamos en el universo está formado por átomos que tienen un núcleo rodeado por electrones. El electrón es una de esas partículas que no se pueden dividir más. Sin embargo, el núcleo de los átomos está formado por protones y neutrones. Y esas partículas sí se pueden dividir un poquito más hasta que llegamos a los quarks que ya no se dividen. Los quarks, junto con los electrones que están fuera del núcleo, son lo que llamamos fermiones. Los fermiones son las partículas que forman la materia.

En física fundamental distinguimos entre dos tipos de partículas, por un lado estos fermiones y, por otro, los bosones. Y esa distinción la hacemos según una característica muy particular de ellas que se llama spin. El spin es una propiedad física, como lo es por ejemplo la carga eléctrica, que está relacionada con el momento angular cuántico. Las partículas que componen la materia son los fermiones y tienen un spin de ½. Por otro lado, tenemos los bosones que tienen un spin entero y que son las partículas encargadas de la fuerza, es decir, de que los fermiones interactúen entre ellos. Podríamos decir que los bosones son el pegamento que une a los fermiones.

Dentro de los bosones los hay de varias clases según el tipo de fuerza en la que actúen. Por una parte está el fotón, responsable de la luz, de la interacción electromagnética; las partículas W y Z, que son responsables de la interacción débil, que es la fuerza relacionada con la desintegración nuclear de los átomos; el tercer tipo de bosones son los gluones, responsables de la interacción fuerte, o sea de la interacción entre los quarks que son, como te decía antes, un tipo de fermiones; y hay un cuarto tipo de bosón que es el bosón de Higgs. Los fotones, partículas W y Z y los gluones tienen spin igual a 1. Pero el bosón de Higgs es el único que tiene spin igual a 0.

Los fermiones también se clasifican en dos tipos, los quarks y los leptones. La primera diferencia entre ellos es su carga eléctrica, los quarks, de los que existen seis tipos, tienen siempre cargas fraccionarias y son los que constituyen, por ejemplo, los protones y neutrones que están dentro del núcleo. Los leptones, de los que hay otros seis tipos, tienen carga eléctrica negativa, o positiva si son antipartículas, o carga 0, lo que es lo mismo que nula. Los electrones tienen carga negativa y sus correspondientes neutrinos (una partícula muy especial) no tienen carga. Otra diferencia entre ellos es que los quarks tienen carga de color, lo que quiere decir que sí están afectados por la interacción fuerte, mientras que los leptones no lo están.

Una manera de visualizarlo es imaginar una habitación que está llena de campo de Higgs y entra una persona. Esa persona, según su masa, irá interactuando ('rozando') más o menos con ese campo de Higgs. Cuanto mayor sea esa interacción, más irá engordando y su masa será mayor

Como te explicaba al principio, los fermiones son los que constituyen la materia y los bosones son los mediadores de las fuerzas. El bosón de Higgs es particular porque explica el origen de la masa de las partículas. Es decir, se acopla a otras partículas proporcionalmente a la masa de estas. El fotón que es el responsable de la interacción electromagnética nos indica qué carga eléctrica tienen los fermiones; los bosones W y Z nos explican el spin de las partículas; los gluones nos indican si los fermiones tienen o no carga de color: con los quarks que sí tienen carga de color sí interaccionan, pero con los leptones, que no tienen, no interaccionan.

Lo que da masa a las partículas no es el bosón de Higgs en sí sino su interacción con el campo de Higgs. Este campo puede imaginarse como un océano que permea el universo entero y en el que las partículas están nadando. Las partículas van interaccionando con el campo de Higgs y adquiriendo masa. Este campo de Higgs requiere de una partícula que lo componga y es lo que llamamos el bosón de Higgs. Una manera de visualizarlo es imaginar una habitación que está llena de campo de Higgs y en la que entra una persona. Esa persona, según su masa, irá interactuando (rozando) más o menos con ese campo de Higgs. Cuanto mayor sea esa interacción, más irá engordando y su masa será mayor. Pero esa masa no sale del bosón de Higgs sino que es un intercambio de energía entre el fermión y el campo de Higgs.

María Moreno Llácer es doctora en física, investigadora del Instituto de Física Corpuscular (centro mixto del CSIC y la Universidad de Valencia) y trabaja en el experimento ATLAS del CERN.

Pregunta enviada vía email por Marco Madison Victoria

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