Las lágrimas de Higgs y el origen de la masa.

07/09/2012

Hace ya casi 50 años, un joven científico recibió una notificación de rechazo sobre un artículo de dos páginas que había enviado a la revista de física europea Physics Letters. La revista argumentó el rechazo diciendo que “el artículo no era de relevancia evidente para la física”. El joven se llamaba Peter Higgs. Un árbitro de la revista –un físico de mucho peso en esa época– sugirió al autor agregar una discusión de las implicaciones físicas de la idea que se proponía en el texto. Tal vez eso ayudaría en otra revista…

El joven británico agregó entonces un párrafo al texto en el que describía que la implicación física del mecanismo propuesto en su texto, era la existencia de un campo que podía dotar de masa a las partículas fundamentales. En esa época, el asunto del origen de la masa de las partículas fundamentales era un enigma. El artículo fue enviado así al Physical Review Letters y publicado al siguiente año. La idea resolvería en los siguientes lustros un problema importante en la emergente física de partículas, que predecía resultados absurdos para altas energías si a las partículas fundamentales simplemente se les asignaba una masa distinta de cero en las teorías. Y sin embargo, la tienen. Usted, yo y el queso gruyere claramente tenemos masa. Pero tampoco se podían desechar las teorías, para casi todos los casos, las teorías predecían con pasmosa precisión el comportamiento microscópico de la materia.

Casi cinco décadas después de aquél rechazo, Peter Higss apenas podía contener las lágrimas mientras diapositiva tras diapositiva, Fabiola Gianotti, vocero de uno de los experimentos del Large Hadron Collider (LHC) mostraba la evidencia convincente de que la partícula asociada al campo de su ya antiguo artículo, existía. Hoy, hay una buena probabilidad de que el profesor Higgs reciba eventualmente, junto con otros pioneros de la física de partículas, el premio nobél de física.

La simetría como martillo

Las cosas más profundas en el universo muchas veces son consecuencia de las cosas más simples. La simetría por ejemplo, parece estar entretejida en el armazón de la naturaleza. Podría decirse que el universo tiene un diseño fundamentalmente simétrico, aunque algunas veces esas simetrías estén ocultas.

Un monumento o edificio que se ve igual en diferentes partes o desde diferentes ángulos, en general parece más bello. Si la cara de una persona es más simétrica, más atractivo es para el sexo opuesto. En física sucede algo similar. Por ejemplo, si una cantidad o ley física se mantiene constante durante un tiempo entonces la energía se conserva. Si las leyes naturales son las mismas aquí que en cualquier otra parte, la cantidad de movimiento en un sistema se conserva.

A inicios del siglo pasado una de las aportaciones científicas más relevante y menos reconocida de la historia, fue la de Emily Noether. Noether, matemática alemana, develó uno de los principios más profundos de la naturaleza: demostró que por cada simetría presente en un sistema –el universo incluido–, existe una cantidad física que se conserva, que no cambia. La energía es una de esas cantidades. Si un sistema mantiene sus leyes físicas simétricas en el tiempo –invariables en el tiempo–, el sistema completo conserva la energía. Hoy pensamos que el universo es un sistema así, que las leyes de la naturaleza son iguales hoy que hace 100 o 10,000 años y que así continuará en el futuro. Otro caso interesante es el de la simetría en el espacio: según Noether, si las leyes físicas se mantienen iguales sin importar en dónde estemos en el espacio, el momento (cantidad de momento) tiene que conservarse.

La fuerza de gravedad que sentimos hoy debido a la masa de la tierra bajo nuestros pies por ejemplo, es igual de intensa que ayer y que hace miles de millones de años. Tenemos evidencia de que esto no ha cambiado ni razones para pensar que esto cambiará en el futuro previsible. Noether explicó la conservación de la energía y de muchas otras cantidades físicas como una característica inherente, primitiva incluso, de nuestro universo. Cuando algo se conserva es porque existe una simetría en la naturaleza. Creo que no es una coincidencia que algo nos guste más cuando es más simétrico en algún nivel. Está en nosotros. Se encuentra íntimamente bordado en cada pieza que nos forma y en cada ley que nos afecta.

Entonces, si las leyes no cambian en el tiempo, la energía se conserva. No hay más. Si las leyes son las mismas en el espacio, la cantidad de movimiento se conserva. Y si las leyes son las mismas sin importar en qué dirección del universo nos fijemos, el momento angular se conserva. Sin duda, el poder predictivo de encontrar simetrías es muy poderoso. Eso le gusta a los físicos.

Parafraseando a la abuela, cuando tienes un martillo en la mano, todo a tu alrededor empieza a parecerte un clavo… Esto es exactamente lo que pasó con los físicos de partículas el siglo pasado; a partir de los años 40´s, la simetría se convirtió en la herramienta favorita para encontrar un modelo que describiera suficientemente bien el mundo microscópico, el mundo de lo que estamos compuestos: átomos, protones, cuarks y electrones, partículas fundamentales. El resultado de usar el martillo de la simetría fue pasmoso para la física.

La historia de la física de partículas ha ido de la mano de las simetrías en física: primero se juntaron las teorías más exitosas que se tenían, la relatividad y la mecánica cuántica. A ellas ya integradas, se les pidió cumplir algunas simetrías básicas (técnicamente se conoce como la simetría U(1)) y ¡pum! se obtuvo la conservación de la carga eléctrica, y la QED (electrodinámica cuántica) con todo y su predicción de la antimateria y las 12 cifras decimales de precisión en los resultados experimentales. Nunca se había logrado esta coincidencia tan extraordinaria entre teoría y realidad.

Ya picados con el éxito, los físicos siguieron explorando las simetrías en las teorías. Aún pretendían explicar dos fuerzas más de la naturaleza: la interacción débil que está relacionada con el decaimiento radiactivo, necesario para explicar los procesos nucleares en el sol, y la interacción fuerte, que es el engrudo que mantiene los núcleos de protones y neutrones unidos. Sin explicar estas dos fuerzas, no era posible entender cabalmente la existencia del átomo más simple siquiera.

El camino no fue fácil, pero la confianza en la simetría rindió sus frutos: hacia los años 70´s la comunidad científica estaba convencida de que se tenía un modelo sólido para describir a la perfección cualquier experimento concebible. Pero el concepto de simetría tuvo que ceder un poco. En el caso de la interacción débil, existían características…

I, los físicos encontraron algo

Y pasaron entonces dos cosas diferentes al aplicar la simetría una vez más: por un lado para el caso de la fuerza fuerte, el requerimiento de conservar una simetría más, dio origen a otro éxito con la cromodinámica cuántica (QCD), su explicación unificada de la interacción fuerte y el electromagnetismo. En el caso de la interacción débil, parecía poder explicarse con una misma teoría junto con el electromagnetismo también, pero la simetría que permitía describir la fuerza débil no era exacta, se cumplía parcialmente, a muy altas energías. Adicionalmente, se predecía algo muy difícil de aceptar para conservar esa simetría: las partículas involucradas en la transmisión de la interacción débil, no podían tener masa. Pero tanto teórica como experimentalmente se sabía ya en los 70´s que eso no era posible, así que este resultado más que un éxito era un enigma.

Higgs rompe la simetría con sus lágrimas

La simetría no siempre está a la vista. Y bajo ciertas condiciones, aún estando presente, no se manifiesta. Imaginemos tres luces de colores complementarios (rojo, azul, verde) que iluminan una misma zona como en la figura de abajo.

Esa zona central se verá blanca. acerquémonos cual hormiga de manera que únicamente podamos ver la zona blanco. Ahora permutemos de lugar cualesquiera dos lámparas. La masa como propiedad emergente.

El origen de la masa de las partículas

La mayor parte de la masa que no viene de Higgs.

La receta para aburrirse con la física de partículas

Cabos sueltos en la evidencia sobre Higgs y lo aburrido o no de haber encontrado “justo” lo que se esperaba?

El costo de las lágrimas.

Durante una buena parte de los últimos treinta años, los físicos han estado convencidos de que la partícula y el campo que Higgs propuso, tenían que existir. La razón es que, a pesar de que nadie había podido producir evidencia experimental de la existencia de la partícula de Higgs hasta el pasado 4 de julio, sin ellos el modelo que exitosamente explica una parte importante del funcionamiento del mundo y que involucra las partículas como los protones, neutrones y electrones de los que están hechos los átomos, no podría funcionar. Pero sabemos que funciona; experimentalmente, a una precisión pasmosa, el modelo estándar de la física de partículas ha acertado a cada predicción que ha hecho. Por eso, la gran mayoría de los físicos pensaba que no podía no existir. Sin embargo, nadie había podido demostrar su existencia en el laboratorio.