Qué es la mal llamada "partícula de Dios", el bosón cuyo descubrimiento dio el Nobel a Peter Higgs

El pasado 8 de abril falleció a sus 94 años el físico escocés Peter Higgs, pasando a la historia por, entre otros logros, el descubrimiento teórico del bosón que lleva su nombre, conocido popularmente como la “partícula de Dios”, y que contribuyó -en términos muy sencillos- a explicar el universo.

Para entender cómo logró esto y por qué es tan importante, hay que volver primero miles de años al pasado, y luego, al origen de la existencia misma.

¿Qué es el Bosón de Higgs?

Según explica en The Conversation el catedrático del Instituto de Física Corpuscular, Santiago González de la Hoz, “el filósofo griego Demócrito ya consideraba que la materia estaba formada por pequeñas partículas indivisibles, llamadas átomos, entre las que existe vacío. Demócrito sugirió que la materia estaba formada por pequeñas partículas indestructibles que se movían continuamente en el espacio vacío y que dotaban de masa a la materia”.

Pero fue en 1964 que Higgs, en paralelo con el belga Francois Englert, explicó mediante cálculos matemáticos cómo esto último ocurría. Es decir, el mecanismo cuántico que hace ello posible.

En su manuscrito, detalla González, “dio forma a la idea de que un mecanismo permitía la redimensión de la electricidad: adquiría masa cuando entraba en contacto con una partícula primigenia e invisible. Esto supuso un puente entre diferentes campos de la física teórica”.

Según explica el físico teórico de la Universidad San Sebastián, Fernando Izaurieta, este mecanismo es mediante el cual “las partículas fundamentales adquirieron su masa y surgieron las interacciones que rigen el universo. Todo esto ocurrió en los primeros instantes del universo, durante la millonésima parte de la primera millonésima de segundo después del principio”.

Pese a que Higgs lo predijo en los 60s, “sólo en pleno siglo XXI hemos sido capaces de recrear en el LHC (el Gran Colisionador de Hadrones) las condiciones del universo temprano y ver que en efecto estas ideas alucinantes ¡funcionan!”.

¿Por qué es importante, y por qué se hizo tan famoso?

Profundizando, Izaurieta acota que “todo en nuestro universo, tanto la materia como las fuerzas que la gobiernan, se componen de partículas. Lo curioso es que algunas de ellas tienen masa y otras no. El por qué de esto era un gran misterio, hasta que las ideas descubiertas por Higgs, François Englert y otros físicos hace 60 años iluminaron nuestra comprensión del funcionamiento íntimo del universo”.

Según la teoría de la relatividad especial de Einstein, la masa de algo está conectada con cuánta energía contiene: eso es lo que significa la famosa ecuación E = mc². Por ejemplo, cuando estiramos un elástico, tiene energía almacenada y su masa aumenta un poco. Además, la masa determina cómo algo se mueve en el espacio y el tiempo. Por ejemplo, la luz no tiene masa y se mueve a la máxima velocidad posible en el universo. Pero nosotros, que sí tenemos masa, no podemos alcanzar esa velocidad.

Sin embargo, esto viene con un detalle: para las partículas de luz, el tiempo no avanza. Para ellas, su existencia ocurre instantáneamente, no experimentan el paso del tiempo como lo hacemos nosotros. En cambio, debido a nuestra masa, nosotros nos movemos más despacio, pero sí sentimos el paso del tiempo. Así que la masa, la energía y el tiempo están vinculados.

Estas ideas explican la mayoría de la masa de nuestros cuerpos. Cada partícula en los núcleos de nuestros átomos está hecha de quarks y gluones, que actúan como “elásticos” que los mantienen unidos. La mayor parte de la masa de estas partículas proviene de la energía entre los quarks.

El misterio es el pequeño porcentaje restante.

Aunque los quarks y los electrones tienen una masa muy pequeña, no sabíamos de dónde venía el resto de la masa. Y esto es solo el principio de las preguntas.

Todo en el universo está influenciado por cuatro fuerzas fundamentales: la gravedad, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil y el electromagnetismo. Según las matemáticas, las partículas que transmiten estas fuerzas no deberían tener masa. Sin embargo, los experimentos demuestran claramente que las partículas asociadas con la fuerza débil, que son responsables del decaimiento radioactivo, sí tienen masa. Todos estos enigmas relacionados con la masa eran un tremendo misterio.

Aquí entra Higgs

“La respuesta a estas interrogantes fue alucinante”, expresa Izaurieta. “Debía existir un algo invisible, que ahora llamamos «campo de Higgs», llenando el espacio por completo. Dependiendo de sus propiedades, las partículas fundamentales interaccionan con este campo a medida que viajan a través del espacio, originando su masa”.

Por ejemplo, continúa, “un electrón está constantemente intercambiando una propiedad llamada «hipercarga débil» con el campo de Higgs. Esta evolución interna y la energía contenida en ella es lo que origina la masa de cada electrón del universo a través del famoso E = mc². Todas las partículas fundamentales con masa la adquirirían en forma similar, interaccionando de alguna forma con el campo de Higgs”.

“Pero lo más increíble es que estas ideas también nos indican de dónde vienen las fuerzas que rigen el universo. La clave para comprender la solución de este misterio yace en un bello concepto matemático: la simetría”.

En este sentido, “un ejemplo cotidiano que nos puede ayudar a comprender la idea central es el agua. El agua en estado líquido se ve igual desde todas las direcciones del espacio; uno puede rotarla y se ve igual desde cualquier dirección. En física decimos que tiene un alto grado de simetría. Pero cuando bajamos la temperatura, a los 0°C espontáneamente la simetría del agua se quiebra y se transforma en cristales hexagonales, muy bellos pero con menos simetría”.

“El campo de Higgs habría provocado algo similar, ¡con el universo completo! Durante los primeros instantes ardientes del universo, el electromagnetismo y la fuerza débil estaban unidos en una sola fuerza de partículas sin masa, una fuerza electrodébil gobernando el universo con una simetría mayor que la observada ahora. Pero cuando el universo creció y se «enfrió» hasta los mil millones de millones de grados, la simetría se quebró espontáneamente”, relata el físico. “Esto dio origen a dos fuerzas con menos simetrías, el electromagnetismo compuesto de fotones sin masa, y la fuerza débil, mediada por partículas similares al fotón, pero masivas, lentas y de corto alcance”.

Lo increíble de todo esto, más allá de los misterios que revela sobre el origen del universo, es que “meras ecuaciones en el pizarrón de Peter Higgs hace 60 años atrás, predijeron exactamente lo que se observó recién hace algunos años en el LHC”.

“A través de violentas colisiones de núcleos atómicos a casi la velocidad de la luz, conseguimos reproducir las condiciones del universo primitivo, recrear esta interacción electrodébil y hacer vibrar el campo de Higgs. En este proceso se crearon durante unos breves instantes los famosos «bosones de Higgs», efímeras excitaciones de este campo que llena el universo. Por este motivo es que Peter Higgs recibió el Nobel de Física el 2013″, explica.

Finalmente, cuando el CERN europeo confirmó la existencia de dicha partícula, su predicción fue premiada con un Nobel.

Este éxito, concluye, “nos hace pensar que quizás todas las fuerzas fundamentales, incluida la gravedad, quizás se originaron desde una única fuerza que lo regía todo. Aún estamos trabajando tratando de descifrar este misterio, que es parte del mayor acertijo que haya colocado el universo frente a nosotros, el enigma de gravedad cuántica”.

¿Tiene que ver con Dios el bosón?

“Por supuesto que algo tan increíble, profundo y complejo se presta para tergiversaciones. En particular, en un libro de divulgación científica escrito por otro premio Nobel, León Lederman, se apodó al bosón de Higgs como «partícula maldita» (“goddamn particle” en inglés), debido a la dificultad para encontrarlo en los aceleradores de partículas”, explica Izaurieta respecto al nombre popular con que se conoció al bosón.

“Sin embargo, el editor consideró que sonaba muy fuerte el apodo e insistió en cambiarlo por «partícula de Dios» (“God particle” en inglés, sin el “damn”). Eso dio origen a muchos mal entendidos en la prensa sobre el supuesto carácter «divino» de la partícula, cuando en realidad no hay relación alguna entre la religión y la física de partículas”.

Peter Higgs, una figura

Más allá de su descubrimiento teórico, Peter Higgs es también recordado por su humildad, y porque nunca le gustó el rol protagónico que adquirió con el tiempo.

“Peter Higgs era un tremendo ser humano. Un amigo mío tuvo la fortuna de conocerlo mientras hacía su doctorado en Edimburgo. Él quedó impresionado al ver que alguien tan brillante y reconocido, con un montón de premios incluido el Nobel de Física del 2013, fuera tan amable y tan accesible, y dispuesto a conversar tan amigablemente con un estudiante proveniente de un pequeño país llamado Chile. Higgs era una persona encantadora, aunque muy tímida y que detestaba ser el foco de atención, que desde su posición luchó por la ecología y por el desarme nuclear”, recuerda Izaurieta.

Su descubrimiento “también nos deja una lección para pensar en cuanto a cómo hacemos ciencia en nuestra época. Peter Higgs insistió en repetidas ocasiones en que hubiera sido imposible para él trabajar en el ambiente científico actual, en donde se ha instalado un ambiente competitivo centrado en una agobiante producción de artículos, los cuales se valoran con la misma lógica con la que un ingeniero comercial contabilizaría una producción de tomates”.

“En lugar de eso, la sociedad debería apreciar y permitir el florecimiento de la ciencia por sí misma, teniendo en cuenta que un solo trabajo científico realizado libremente, sin presiones de «productividad» puede ser revolucionario. El objetivo de la ciencia debe ser explorar el universo y descifrar sus misterios, no la producción frenética de artículos, ni menos aún estar al servicio de burócratas que no entienden nada de ciencia y que sólo buscan un índice para justificar la existencia de su cargo”.