¿Que es el bosón de Higgs?

Modelo Estandard de particulas

El LHC (Large Hadron Collider) acelera hasta casi la velocidad de la luz protones a lo largo de un tubo circular al vacío de 27 kilómetros de longitud. Estos protones chocan entre ellos dentro de gigantescos detectores que registran los resultados de estas colisiones, denominados ATLAS y CMS. Estos resultados no son mas que otras partículas. Esto se consigue gracias a la ecuación de Einstein E=Mc², es muy fàcil, la energia generada en la colisión puede convertirse en masa y por tanto en otras partículas más elementales, que pueden ser vistas por los detectores de partículas. A mayor energia mayor cantidad de partículas pueden generarse y por tanto detectarse. Es por esta necesidad que el LHC ha costado unos 3000 millones de euros, y uno puede preguntarse, ¿es necesario?. Les comento lo que hay y cada uno valore.

La partícula de Higgs esta estrechamente relacionada con nuestra comprensión de como funciona la naturaleza. Existen partículas y fuerzas, o si lo prefieren materia y energia. Aunque todo es lo mismo, esta es la idea teòrica de lo que viene a denominarse el Modelo Estándar de las partículas y las fuerzas.

El modelo estándar de las partículas elementales tiene que entenderse dentro del contexto de la teoria cuántica de campos. Se lo resumo muy brevemente, mientras tanto pueden echar una ojeada a la imagen inicial.

Imaginen que todo lo que existe en nuestro universo esta constituido a partir de solamente unas cuantas partículas y unas cuantas fuerzas. Pero resulta que la teoria cuántica de campos nos dice que las fuerzas (campos) también vienen determinadas por partículas. Para distinguirlas, las partículas que controlan las fuerzas se denominan bosones y las que generan las materia fermiones, con características físicas diferentes que seria demasiado largo explicar ahora y aquí.

Veamos primero que fuerzas existen. Tenemos la fuerza de la gravedad, del electromagnetismo, la fuerza fuerte y la fuerza débil. Vea la entrada en este mismo blog aqui.

Hay que decir que de las 4 fuerzas, la gravedad no hay manera de entenderla dentro del modelo estándar, las demás si. ¿Qué quiere decir esto?. Pues que la fuerza débil y la fuerza electromagnètica son en realidad una misma fuerza, la fuerza electrodebil y la teoria que la describe se conoce como Electrodinámica Cuántica (QED), esta a su vez forma parte de una teoria que unifica la fuerza electrodebil con la fuerza fuerte, es lo que se conoce como Cromodinámica Cuántica (QCD)

Veamos mas de las fuerzas, son las cajas azules de la figura inicial. La fuerza electromagnètica se transmite por bosones sin masa denominados fotones, la fuerza fuerte por bosones sin masa denominados gluones y la fuerza débil por bosones con masa denominados Z y W. Aquí empieza el primer problema, los fotones no tienen masa, los gluones no tiene masa en cambio los bosones Z y W si que la tienen, unas 100 veces la masa del protón. Aquí esta el primer problema.

Si estas fuerzas son en realidad una de sola, porque sus bosones son tan diferentes, unos sin masa y otros con masa. ¿por qué esta diferencia?.

Otro problema reside en las partículas, las cajas verdes y rojas de la figura inicial. Toda la materia de la que estamos formados se genera con la primera columna, los quarks u,d forman los neutrones y los protones, los leptones son el electrón y el neutrino electrónico.

Pero ¿porque hay mas cajas a la derecha?, las dos columnas siguientes son las mismas partículas que la primera columna ( dicho muy rápido) pero com una masa mayor, la segunda columna mayor que la primera y la tercera mayor que la segunda. ¿Porque la naturaleza se repite y solamente tres veces? Y porque esta diferencia tan grande entre la masa de las partículas elementales que es del orden de 10¹¹, la diferencia de masa entre un elefante y una hormiga. Otro misterio a resolver, que pasa por entender que es la masa. Vean este post.

Una respuesta es el bosón de Higgs. En honor de Peter Higgs, físico británico que junto con Brout, Engler y Kibble, propuso su existencia en 1964. Como ya les he dicho, en teoria cuántica de campos hablar de partículas, fuerzas y campos es lo mismo. Tenemos pues la partícula del bosón de Higgs o el campo de Higgs. El campo de Higgs proporciona la masa a las partículas Z i W. Si los fotones nos iluminan, los bosones de Higgs nos proporcionan la masa y la inercia. Luz y materia explicada…solo que de momento sigue siendo una teoria no comprovada.

¿Pero como funciona el mecanismo de Higss para dar masa a las partículas? o ¿Que es la masa?. Una primera respuesta seria que la masa de un objeto es la suma de las masas de los átomos de los que esta compuesto  el objeto. Un tren tiene mas masa que una mosca porque contiene mas átomos. Pero esto no explica nada, ¿de donde viene la masa de los átomos?. En definitiva, de donde viene la masa de los protones, neutrones, electrones, etc…la respuesta es la partícula de Higgs. Por eso alguien la denominó partícula de Dios, pues al crear la materia del universo tuvo que crear primero la partícula de Higgs.

Ja se que se va alargando este post, pero es necesario entender que el mecanismo de Higgs no es el único que genera masa. Los protones y neutrones estan formados por quarks, estos se mueven y permanecen unidos por los gluones de la fuerza fuerte. Por tanto adquieren energia cinética, que se transforma en masa mediante la ecuación de Einstein E = Mc², así que parte de nuestra masa es consecuencia del movimiento de estos quarks. Aparte tenemos la masa que adquieren estos quarks y todas las partículas elementales al interaccionar con el campo de Higg.

¿Y porque el bosón de Higgs interacciona con los bosones Z i W de la fuerza débil y no con los fotones y gluones?. La respuesta es ya más complicado explicarlo sin recurrir a conceptos intrínsecos de la teoria cuántica de campos.

El campo de Higgs tiene la propiedad de que no se anula en el vacío, esta presente en todo el universo. Hay que recordar que es un campo cuántico y el sentido común aquí no funciona. Al igual que el campo electromagnético, también es un campo cuántico con un bosón asociado, el fotón, que nos da  la luz. Es tan misterioso como el bosón de Higgs, pero estamos acostumbrados a ver la luz, pero no vemos los fotones de forma individual y nos parece algo completamente normal. Imaginemos que estuviésemos ciegos, no entenderíamos que es la luz. Lo mismo sucede con el bosón de Higgs, lo notamos con la masa y la inercia de nuestro propio cuerpo, pero no vemos las partículas de Higgs.

La idea es que las partículas al chocar con el campo de Higgs adquieren el comportamiento de inercia, es decir se ven frenadas, para nosotros en el mundo macroscópico lo entendeos como masa.

Pero porque se frenan los bosones Z i W de la fuerza débil y no los bosones de la fuerza fuerte y electromagnètica.  Un misterio a resolver que intenta descifrar el LHC.