Por qué tanta alharaca con el bosón de Higgs

"Gracias, naturaleza", dijo Fabiola Gianotti el miércoles pasado ante un público de físicos, periodistas y curiosos. Se refería a que la partícula más buscada de toda la física había resultado tener una masa ubicada en un rango que hará fácil estudiarla más a fondo ahora que por fin apareció. El auditorio del CERN estaba abarrotado. Otros auditorios adonde se envió la señal por Internet también: especialmente el de la Conferencia de Física de Altas Energías 2012, en Melbourne, Australia, y el del Fermilab, laboratorio de investigación de partículas elementales ubicado cerca de Chicago.

Gianotti es la portavoz del experimento Atlas, un consorcio de científicos de muchos países que trabajan con los datos que provienen del detector Atlas del Gran Colisionador de Hadrones (LHC son las siglas en inglés). El Atlas es uno de los dos detectores encargados de recoger datos de los miles de millones de choques de protones que produce el LHC. El otro gran experimento, también nombrado por el detector con el que trabaja, es el CMS (Compact Muon Solenoid... es una historia larga). Su portavoz, Joe Incandela, estaba presente en el estrado con Fabiola Gianotti, el director del CERN y otros para anunciar que ambos detectores tenían por fin sólida evidencia de una partícula hasta entonces nunca vista. La nueva partícula, cuyos primeros indicios aparecieron vagamente en los datos desde diciembre de 2011, se parece al esperado bosón de Higgs.

Pero, ¿es el bosón de Higgs? ¿Qué cara debería tener? De momento, los 800,000 millones de colisiones analizadas (de donde no surgieron más de 200 encuentros en la oscuridad con la dichosa partícula) sólo nos dan un atisbo de la partícula, como si viéramos a una persona acercarse a través de un vidrio empañado. Los físicos son gente precavida, antes que nada: pese a que llevan por lo menos dos años, sino es que 10 o incluso 40, buscando el bosón de Higgs, y pese a que los países del consorcio que financia al CERN se gastaron 10,000 millones de dólares en el LHC, los físicos no están dispuestos a cantar victoria sin estar completamente seguros. Ahora bien, por el momento sólo están seguros de haber encontrado una nueva partícula, más no de su identidad.

El bosón de Higgs es la última pieza que faltaba encontrar para completar el rompecabezas más grande, hermoso y profundo de toda la física: el que explica qué es la materia y cómo funciona. El rompecabezas se llama Modelo Estándar y se construyó con el trabajo de muchos físicos (entre ellos un buen número de premios Nobel) desde los años 50. El Modelo Estándar se consolidó durante los años 70 como la teoría más completa de las partículas elementales y sus interacciones (todas menos una: la gravedad, que no se ha dejado describir con las mismas técnicas matemáticas que las fuerzas eléctricas, magnéticas y nucleares).

El Modelo Estándar es como el libreto de una obra de teatro: nos dice quiénes son los personajes (las partículas elementales de las que está hecho todo) y cómo interactúan (las interacciones posibles entre ellas). Como teoría física es muy poderosa porque, además de describir el comportamiento de personajes que ya se conocían cuando se consolidó el modelo, incluye también otros personajes que deberían existir para que el drama funcione bien; dicho de otro modo, predice la existencia de partículas que no se habían detectado experimentalmente.

Todas las partículas predichas por el Modelo Estándar han ido apareciendo a lo largo de los años en experimentos con aceleradores de partículas en Europa, Estados Unidos y Japón, básicamente. Pequeño problema: en el Modelo Estándar las partículas como los electrones, protones y neutrones no tienen masa, lo que las obliga a moverse continuamente a la velocidad de la luz (exigencias de la teoría de la relatividad, incluida en el Modelo Estándar). Sin embargo, estas partícuals sí tienen masa. Si no, sería imposible que se estuvieran quietas lo suficiente como para formar átomos, moléculas, personas, planetas y galaxias. ¿Qué hacer?

Simplemente imponer las masas metiéndolas forzadamente en las ecuaciones no sirve. Hacerlo desbarajusta todo el modelo y las ecuaciones empiezan a dar resultados infinitos para propiedades que sabemos que no son infinitas. Hay que ser más sutil. En 1964, Peter Higgs, Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble propusieron más o menos independientemente una manera sutil de hacer entrar la masa en la física de partículas: añadir un nuevo campo de fuerza (o una nueva interacción) que tuviera el efecto de obstruir el paso de cada partícula más o menos, según su masa. Yo me lo imagino como meter rugosidades en una pista de patinaje antes lisa, pero en un concurso que lanzó en los años 90 el ministro de ciencia del Reino Unido se propuso la siguiente imagen para explicar la acción de este campo de fuerzas sobre las partículas con masa: un cuarto lleno de gente por el que tiene que pasar una celebridad. Si no hubiera gente (si no hubiera campo de Higgs), la celebridad podría cruzar el cuarto sin disminuir su velocidad (la partícula podría desplazarse a la velocidad de la luz como si no tuviera masa). Pero la gente, al verla, se arremolina a su alrededor, obstruyéndole el paso, y mientras más célebre sea la celebridad (mientras mayor sea su masa), más gente la abruma (más interactúa con el campo de Higgs). Si un observador externo sólo viera a la celebridad (como en nuestros experimentos, en los que sólo vemos las partículas y no el campo de Higgs), el efecto de las otras personas se manifestaría como una renuencia a moverse idéntica a la propiedad que conocemos en el mundo macroscópico como masa. Así pues, el campo de Higgs (que, en justicia, debería de ser el campo de todos los otros amigos también) da naturalmente masa a las partículas elementales que en el Modelo Estándar sin campo de Higgs no la tenían.

Todos los campos de fuerza (el electromagnético y los de las dos fuerzas nucleares, que sólo actúan a distancias atómicas) se describen en la física moderna por medio de la muy general teoría cuántica de campos. En esencia, esto quiere decir que el campo ejerce su efecto sobre las partículas que lo padecen intercambiando con ellas un tipo de partícula mensajera: si dos electrones libres se acercan uno a otro y se repelen, cambiando de trayectoria, se lo podemos achacar a que se enviaron un fotón, que es la partícula mensajera del campo electromagnético. De la misma forma, el campo de Higgs tiene una partícula mensajera: el dichoso bosón de Higgs...o debería tenerla, si existiera. Para saber si efectivamente la masa proviene de la interacción de todas las partículas con un hipotético campo de Higgs había que producir y detectar bosones de Higgs, así de fácil.

Sólo que no era tan fácil. Aunque la teoría no permitía saber qué tan pesado sería el bosón de Higgs, sí se sabía que debería de ser mucho más pesado que un protón o un neutrón. Los físicos fabrican partículas destructivamente: haciendo chocar otras partículas a grandes velocidades. Mientras más rápido vayan cuando se produce el encontronazo, más energía disponible hay para producir nuevas partículas. Para producir partículas gordas como el bosón de Higgs había que hacer chocar partículas a velocidades tremendas, es decir, con energías tremendas. El rango de energía en que se esperaba que apareciera el bosón de Higgs estaba apenas al alcance del acelerador de partículas más potente de antes del LHC, que era el Tevatrón del Fermilab. El Tevatrón operó desde el año 2000 hasta fines del año pasado sin detectar inequívocamente el bosón de Higgs. Ahora los físicos del LHC nos anuncian que han pescado una partícula nueva en un rango de energía que quizá estaba al alcance del Tevatrón. Los físicos del Fermilab están analizando el enorme rimero de datos que quedan por analizar de esa difunta máquina; pero será en vano: el LHC se les adelantó, y si este año caen premios Nobel, irán a parar a las colaboraciones Atlas y CMS, o posiblemente en manos de Higgs y compañía.

El miércoles, en la ceremonia, Higgs apenas podía contener las lágrimas de emoción cuando dijo: "Nunca pensé que llegaría a ver este momento". También andaban por ahí los otros padres del bosón de Higgs, invitados por el CERN desde días antes. De hecho, estas invitaciones delataron el propósito de la reunión convocada por el CERN: ¿de qué más podría tratarse, con esos invitados especiales?

"Los resultados son muy preliminares", advirtió Fabiola Gianotti. Faltan muchos datos para que el vidrio se desempañe y podamos ver con claridad al personaje que se acerca por el rango de energía de 125 GeV (magnitud que da la masa de la partícula en términos de la energía que hizo falta para producirla). Quizá para diciembre, dijo Gianotti.

Confieso que yo ya estaba un poco cansado de los anuncios relacionados con el bosón de Higgs. Todos eran lo que yo llamo antinoticias: "el CERN anuncia, otra vez, que en realidad no ha encontrado el bosón de Higgs con ningún grado de confianza digno de ese nombre", era el resumen cada vez. El anuncio del miércoles 4 de julio de 2012 fuedistinto: ahora sí hay certeza de que tenemos en mano una nueva partícula. Falta que sea el bosón de Higgs. Hay tres posibilidades, que enumero en orden de interés creciente: 1) que sí sea el bosón de Higgs (opción más aburrida, que sólo confirmaría que el Modelo Estándar es correcto), 2) que sea una partícula parecida al bosón de Higgs, pero no igual (lo que sugiere nuevos caminos que explorar) y 3) que sea algo totalmente inesperado. Ésta sería la posibilidad más emocionante, porque cambiaría por completo un panorama en el que los físicos han vivido los últimos 30 o 40 años. Habría que replantear el Modelo Estándar, o bien partir en nuevas direcciones. Los físicos son como Sherlock Holmes: se aburren si no tienen misterios que resolver. Los casos resueltos en el pasado no los consuelan de estar sin un buen misterio al que hincarle el diente. Pero, por ahora, tendremos que esperar a ver si hay un nuevo caso para Sherlock Holmes.