¿Tienen precio las partículas virtuales?

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El 4 de julio de 2012, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) anunciaba «el descubrimiento de una nueva partícula elemental consistente con el bosón de Higgs» convirtiéndose en uno de los hitos de la historia de la física. ¿Por qué su descubrimiento es tan importante? ¿Por qué se dice que gracias a él todas las cosas tienen masa? Y en definitiva ¿qué es el bosón de Higgs?  

TEXTO POR ANTONI MUNAR
ILUSTRADO POR MARINA MANDARINA
ARTÍCULOS
FÍSICA | PARTÍCULAS
3 de Agosto de 2015

El bosón de Higgs es una partícula elemental a la que se responsabiliza de un hecho muy particular: que la materia que conocemos tenga masa. La física actual considera que la materia no es un manto continuo, sino que en última instancia está compuesta de elementos discretos, siendo las partículas elementales los ladrillos últimos que la componen. Pero esto es solo una parte de la historia. El cemento que une las partículas para formar los objetos y producir los fenómenos que percibimos son las fuerzas: la electromagnética, la gravitatoria, la nuclear y la nuclear débil (esta última considerada parte de la electromagnética). ¿Son las fuerzas un concepto también fundamental? No. La física moderna considera que las fuerzas son un tipo de materia especial, el campo, que también se compone de un tipo de partículas especiales: las partículas virtuales. Un electrón repele a otro porque entre sí están intercambiando continuamente partículas virtuales. Y esto ocurre con todas las fuerzas conocidas; la fuerza electromagnética se produce por el intercambio de fotones virtuales, la fuerza nuclear por el intercambio de gluones, la fuerza gravitatoria se supone que se origina  -no ha sido observado todavía- por el intercambio de gravitones, y la fuerza electrodébil por el intercambio de bosones W.

La intensidad del intercambio de partículas virtuales es lo que determina la intensidad relativa de las distintas fuerzas y viene determinado por un parámetro: en la fuerza eléctrica este parámetro es la carga eléctrica positiva o negativa, en la gravitatoria es la masa gravitatoria, etc… No obstante, entre las partículas de materia y las fuerzas existe una diferencia a primera vista insalvable: la materia es discontinua, compuesta de trozos individuales. Las fuerzas no. La fuerza gravitatoria, la eléctrica...actúan en todas partes de forma continua y en principio su radio de acción se extiende hasta el infinito. Por eso, se dice que las fuerzas son en realidad un campo. ¿Cómo concuerdan entonces ambos aspectos? ¿Cómo es posible que algo que ha de ser un manto continuo, sin huecos de ningún tipo, esté formado por partículas, aunque sean virtuales? ¿Qué es entonces una partícula virtual?

La ley de la conservación de la energía es una de la leyes más universales de la física y sin embargo, en los años veinte del pasado siglo se descubrió teóricamente que del vacío, por un pequeñísimo espacio de tiempo, puede surgir una cierta cantidad de energía, totalmente inapreciable a nuestra escala, pero que puede comportarse como si fuera una partícula. Estas son las partículas virtuales. El vacío no está vacío, sino que burbujea de partículas virtuales como el agua en una olla hirviendo. Es por eso que las fuerzas se manifiestan en cualquier punto del espacio. Además, las partículas virtuales viajan a la velocidad de la luz, lo que concuerda con el comportamiento observado en las fuerzas. Si por ejemplo, el Sol dejará de existir de repente, la Tierra dejaría de rotar a su alrededor tan solo ocho minutos más tarde, que es lo que tarda en llegar la luz desde el Sol a la Tierra. Esta concepción de la materia y de las fuerzas ha sido validada tanto teóricamente, mediante rigurosos razonamientos lógicos y matemáticos capaces de formular predicciones, como comprobada experimentalmente con la ayuda de avanzada tecnología en laboratorios como el CERN (Ginebra), el más conocido pero en ningún modo el único. Es lo que constituye la física de partículas y algunas ramas de la física teórica y la cosmología.

¿Qué papel juega el bosón de Higgs en todo esto? El bosón de Higgs es la respuesta a algo que no acababa de encajar. Esta maravillosa teoría explicaba todos los hechos experimentales conocidos excepto uno: por qué las partículas tenían distinta masa. En esta teoría todas las partículas tienen la misma masa, algo que no se observa en cualquier experimento. Y no nos estamos refiriendo a la masa gravitatoria -el peso- si no a la masa inercial. La masa inercial es un parámetro intrínseco de la materia que mide la resistencia que opone un cuerpo a cambiar su estado de movimiento. Por ejemplo, explica por qué cuando una mosca choca con un tren, el tren ni se inmuta y la mosca se desintegra. El tren tiene muchísima más masa.

El bosón de Higgs es la respuesta a algo que no acababa de encajar. Esta maravillosa teoría explicaba todos los hechos experimentales conocidos excepto uno: por qué las partículas tenían distinta masa

Si la masa inercial mide de alguna forma la resistencia a moverse que opone un cuerpo cuando se le aplica una fuerza, tal vez que dos partículas tuvieran distinta masa significaba que había «algo» que les impedía moverse igual bajo los efectos de una misma fuerza. Este efecto se ha observado en otros campos de la física; un electrón no se mueve igual en un metal que en otro, y se ha conseguido explicar satisfactoriamente considerando que el electrón tiene una masa efectiva distinta en distintos metales. Parte de esa analogía fue la que desarrollaron principalmente Peter Higgs  y François Englert en 1964 hasta concluir que debía existir una partícula virtual que al interaccionar con distinta intensidad con las diferentes partículas de materia, hacía que estas tuvieran distinta masa. Un efecto como conducir un coche por la arena. El coche parece volverse más pesado, más lento, debido al rozamiento de la arena con los neumáticos. Este desarrollo constituyó toda una proeza intelectual y un acto de valentía. En principio, la existencia del bosón de Higgs no se deduce necesariamente de ningún hecho.  Es una hipótesis ingeniosa, pero partiendo de los conceptos más fundamentales, Higgs y Englert no solo postularon la existencia del bosón de Higgs como posible explicación, sino que calcularon cómo debía interaccionar con otras partículas y otras características susceptibles de ser comprobadas o refutadas mediante experimentos. Estos cálculos no son triviales, realizarlos requiere una considerable inversión de esfuerzo personal y son arriesgados: la madre naturaleza puede revelar simplemente que no es así como funciona.

Debía existir una partícula virtual que al interaccionar con distinta intensidad con las diferentes partículas de materia, hacía que estas tuvieran distinta masa

Si existía una teoría tan precisa sobre el bosón de Higgs, ¿por qué se tardó casi 50 años -desde 1964 hasta el 2012- en descubrirlo? ¿Por qué se necesita hacer colisionar dos protones a casi la velocidad de la luz lo que requiere una inmensa cantidad de energía? El bosón de Higgs es una partícula virtual. Eso significa que su existencia viola la ley de conservación de la energía por un pequeñísimo instante de tiempo, tan pequeño que ningún instrumento puede detectarlo. Sin embargo, por esa misma ley, si suministramos mucha energía en la interacción de dos partículas, de vez en cuando (una de cada 1.000.000.000.000.000 veces) la energía de la colisión se transfiere a un bosón de Higgs que entonces puede dejar de ser virtual y ser observado antes de desintegrarse. Una razón más es que el bosón de Higgs interacciona consigo mismo, es decir, tiene también masa. La teoría no es capaz de predecir cuál es la masa del Higgs, solo el experimento. Y el bosón de Higgs ha resultado ser excepcionalmente pesado, relativamente hablando. Tanto que su búsqueda requería de aceleradores cada vez más potentes y crearlos es algo que ni tecnológica ni económicamente estaba disponible hace cincuenta años.

El descubrimiento del bosón de Higgs no ha sido fortuito. Su existencia se planteó como consecuencia de un razonamiento teórico y matemático en 1964 y su descubrimiento ha requerido ingentes recursos económicos. Algunas estimaciones lo cuantifican en 10.000 millones de euros. Ha sido necesaria la construcción de algunas de las máquinas más fascinantes jamás creadas por el ser humano, el desarrollo de nuevas tecnologías completamente únicas y en muchos casos, la dedicación total de carreras profesionales en una elección no exenta de riesgo. El descubrimiento de esta partícula no supondrá, al menos por ahora, ningún avance tecnológico de valor económico, ni aumentará nuestra capacidad de manipular la naturaleza en nuestro beneficio.

El descubrimiento del bosón de Higgs no ha sido fortuito. Su existencia se planteó como consecuencia de un razonamiento teórico y matemático en 1964 y su descubrimiento ha requerido ingentes recursos económicos

Surge lógicamente la pregunta: ¿para qué entonces? Tal vez una respuesta sea que estas proezas colectivas nos reafirman una vez más en la confianza en el intelecto humano, en su imaginación, en su deseo de conocimiento, en su capacidad de organización y colaboración, en su espíritu de tenaz lucha para ir más allá, desde una idea, a través del duro camino de la experimentación y la autocrítica, hasta la comprensión más íntima del mundo que nos rodea, simplemente para sentirse más parte de él. Ese es el milagro de la ciencia básica.

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