El asunto en cuestión es el relacionado con que el Higgs, esa partícula tan buscada y al fin hallada, plantea problemas bastante peliagudos en relación a la existencia del universo y su persistente empeño por existir.
Antes de entrar en el meollo de la cuestión que hoy vamos a discutir permitidme unas palabras sobre el título de esta entrada:
El bosón de Higgs, de la partícula de Dios al engendro de Satanas
Este título no es más que un chiste, no hay ninguna connotación religiosa en lo que sigue.
Es un título oportunista aprovechando el tema de que al bosón de Higgs se le ha denominado en los mentideros – La partícula de Dios – y ahora parece ser que dicha partícula podría generar el armagedón.
Pero todo lo que vamos a hablar aquí es puramente científico. Si buscas algo teológico, este no es el lugar adecuado.
Una vez dicho esto… Vayamos al tema...
La energía manda
Cuando trabajamos con cualquier sistema este estará en una determinada configuración. A cada configuración del sistema le corresponderá una energía propia del mismo, es lo que se conoce como potencial.
Es bien conocido, y todos tenemos una experiencia cotidiana de ello, que los sistemas tienden al mínimo de energía permitido.
Es decir, intentarán cambiar su configuración de forma que su energía asociada sea la mínima.
Entonces, cuando hablamos de un sistema es importantísimo conocer su energía potencial (su potencial para ser exactos, no entraremos en las distinciones y los matices entre ambos conceptos en esta entrada) y esto nos dará idea de las configuraciones que son estables, inestables o metaestables.
Estabilidad
Supongamos que tenemos un sistema con una energía potencial en forma parabólica. Además supondremos que el sistema se encuentra en su mínimo de potencial.
Configuración estable. Cualquier perturbación que le hagamos al sistema tenderá otra vez al mínimo del potencial.
Es evidente que esta configuración es estable.
Esto quiere decir que cualquier perturbación que le hagamos al sistema acabará evolucionando hasta llevarla a la situación original, es decir, al mínimo de energía.
Inestabilidad
De lo que hemos hablado en las líneas anteriores podemos imaginar que existe una situación recíproca.
¿Qué pasa si tenemos al sistema en un máximo local y lo perturbamos?
Si tenemos el sistema en un máximo local y lo perturbamos, este caerá hacia valores cada vez más pequeños del potencial buscando su mínimo. Esta situación inicial es inestable.
Esta situación es inestable porque cualquier perturbación lo alejará de la configuración de partida llevando al sistema a buscar su mínimo de potencial.
Metaestabilidad
La metaestabilidad es un caso intermedio entre los dos anteriores. El sistema puede soportar ciertas perturbaciones, siempre que no sean muy energéticas, y permanecerá en la situación original. Sin embargo, si las perturbaciones son grandes el sistema saldrá de dicha situación original y se alejará de ella a favor de un mínimo.
Este caso viene descrito por una energía potencial que tiene varios mínimos locales separados a través de “barreras” de potencial. Si las perturbaciones son capaces de hacer que el sistema supere dicha barrera entonces nos alejaremos del primer mínimo para adentrarnos en el otro.
- Inicialmente el sistema está en el mínimo 1 (bola roja). Si hacemos pequeñas perturbaciones quedará en él. Si las perturbaciones son tales que son capaces de llevarlo por encima de la barrera el sistema llegará al mínimo 3. Este caso es el representativo para la metaestabilidad.
Todo esto aplicado al Higgs
El Higgs es un campo físico. Como sistema físico que es tiene asociada una energía potencial.
Cuando estudiamos el Higgs de forma clásica, sin tener en cuenta los efectos cuánticos, la forma que tiene su energía potencial es la siguiente:
El potencial del Higgs. Tiene claramente un máximo (región inestable) y un mínimo que es una circunferencia (región estable).
Si el Higgs se encuentra en su máximo local de potencial, en la cúspide que se ve en la figura, cualquier perturbación lo llevará hacia un mínimo. Esa configuración es por lo tanto inestable.
Si el sistema tiene una perturbación (que puede ser espontánea) bajará hasta su configuración estable, su mínimo de energía.
Parece que esto es lo único que puede hacer el Higgs, y no es poco porque este proceso es el responsable de que el Higgs adquiera masa y que, por lo tanto, partículas como quarks, electrones, bosones mensajeros, etc, también la adquieran.
Pero este no es el final de nuestro cuento, tendremos que invitar a la cuántica por si tiene algo que decir al respecto.
La clásica propone y la cuántica dispone
La forma del potencial que hemos puesto en la sección anterior está extraída de la teoría clásica del Higgs, es decir, no tiene en cuenta los efectos cuánticos que afecta a dicho campo físico.
Al introducir los efectos cuánticos, esencialmente las formas con las que el Higgs interactúa con otras partículas, con él mismo, etc, tienen como resultado la modificación de la energía potencial del sistema.
Las posibles situaciones, descritas de manera grosera, son las siguientes:
a) El potencial modificado cuánticamente conserva su región de estabilidad. Es decir, no aparecen otros mínimos en el potencial.
b) El potencial modificado por los efectos cuánticos adquiere nuevos mínimos. Por lo tanto entraríamos en una zona metaestable y sería posible que una perturbación sacara al Higgs del mínimo local donde se encuentra y lo llevara a otro mínimo de menor valor de la energía.
Esta situación está descrita por esta figura:
Situación metaestable. Nuestro mínimo del Higgs no es el más mínimo de todos. Una perturbación podría hacer que decayera al mínimo más mínimo.
ArmaHiggsdón
En la anterior figura pone que si el Higgs, representado por la bola azul, pasa del mínimo que tenemos, ese que está asociado a una masa de 125GeV, a otro mínimo menor el universo, tal y como lo conocemos, llegaría a su fin.
¡La partícula de Dios puede desencadenar el puñetero fin del mundo!
La figura anterior hay que leerla en los siguientes términos:
Si el Higgs aumenta su masa, y lo hará si cae a un mínimo menor saliendo de la región de metaestabilidad, aumentará la masa de los bosones responsables de las desintegraciones radiactivas (las estrellas se consumirán antes).
Los electrones se harán más pesado, la química se hará imposible tal y como la conocemos. Y si las cosas pesan mucho, la densidad de energía del universo aumentará llegando a ser tal que sea capaz de colapsar la expansión del mismo.
En definitiva, el universo se va al garete.
Pero no hay de que preocuparse por el momento, ¿por qué?
1.- Porque si miramos la figura anterior la perturbación energética que tiene que sufrir el Higgs para salir de la zona metaestable y decaer a un mínimo menor debe de ser muy grande, lo cual reduce las posibilidades.
2.- Porque todavía no ha pasado, si fuera algo muy probable no estaríamos aquí leyendo esta entrada.
En realidad el punto 1 anterior tiene trampa y ha de consolar menos de lo que parece en un principio.
Si no puedes saltarlo, atraviésalo
Sí, aquí otra vez viene la cuántica para estropearnos el plan de seguir en este universo. Es cierto que si miramos la figura nos parece que ha de ser difícil que el campo tenga una fluctuación que le haga saltar la barrera que lo separa de caer a valores cada vez menores de la energía y por lo tanto el Higgs se haga cada vez más gordo.
Pero la cuántica nos ha enseñado que hay ocasiones en las que los sistemas hacen cosas que clásicamente tienen prohibidas porque no tienen la suficiente energía, cosas tales como atravesar una barrera de potencial, eso que se conoce como efecto túnel.
Es decir, que nuestro Higgs podría salir de su zona metaestable y caer a un mínimo más bajo en energía sin que tenga que ser perturbado por encima de la barrera potencial.
Si eso ocurriera estaríamos en una situación un tanto complicada. No hay forma de luchar contra las leyes de la física.
¿Pero cómo es nuestro Higgs?
Después del descubrimiento del Higgs en el LHC y de estar cada vez más seguros que su masa está entre 125 y 126 GeV se abre la puerta a estudiar en qué mínimo está nuestra teoría estándar.
Como hemos dicho lo que hay que estudiar es la curva o gráfica del potencial que incluya las correcciones cuánticas asociadas al campo de Higgs. Para ello hay que tener en cuenta la interacción del Higgs con otras partículas y con él mismo.
Estos cálculos no son nada fáciles.
Por ahora lo que podemos decir es que la mayor contribución a las correcciones viene de la mano de la masa del quark top, un quark bastante gordo, y de la masa del propio Higgs.
Así, teniendo en cuenta estos parámetros podemos estudiar las zonas de estabilidad, inestabilidad y metaestabilidad que esperamos en nuestra física debidas al Higgs y ver donde hemos caído.
El resultado con lo que hemos calculado hasta la fecha es algo así:
Nuestro Higgs ha tenido el mal gusto de estar en una zona de metaestabilidad (área amarilla de la figura), eso quiere decir que es posible que se de en algún momento la transición a un mínimo de energía más bajo que en el que ahora nos encontramos.
La buena noticia es que el mínimo calculado hasta la fecha está muy cerca de la zona de estabilidad (área verde de la figura).
Así que, en teoría, todo esto se podría ir al carajo en cualquier momento.
¿Me tengo que empezar a preocupar?
¿Tengo que llevar puesta una muda limpia por si pasa algo?
Pues no, no hay de que preocuparse por varios motivos (lo de la muda limpia lo dejo a vuestra elección pero os lo recomiendo encarecidamente):
1.- Estos cálculos se hacen dentro de la teoría estándar de la física de partículas. Pero cada día son mayores las evidencias de que hay nueva física que aún no conocemos y que podría cambiar sustancialmente esta imagen y estabilizar el mínimo del Higgs de un modo u otro. Esperaremos a ver si aparece la supersimetría, los axiones, los neutrinos estériles y otro campo escalar inesperado que tenga como efecto estabilizarnos y no sufrir una muerte terrible y espectacular porque nuestro universo tiene el capricho de cambiar de mínimo.
2.- Estas conclusiones se hacen sobre la base de cálculos que no son completos. La dificultad técnica de los mismos es formidable y cualquier mejora requiere mucho tiempo y grandes ordenadores. Así que estos resultados son parciales, hay que mejorar las técnicas de cálculo e introducir todos los datos correctamente para poder decir que este resultado es cierto teóricamente fuera de toda duda.
3.- Nuestro universo ha estado aquí por mucho tiempo así que, aún en el caso de que estemos en el borde de lo metaestable, parece ser que hay cierta tendencia a quedarnos como estamos. Si el Higgs cambiara de mínimo hoy, mañana o pasado me llevaría una gran sorpresa (aunque tampoco importaría mucho).
La cuestión sobre la estabilidad de la física es muy interesante y es un campo que hay que estudiar. Su estudio nos enfrentará a preguntas fundamentales sobre la estructura del universo y sobre la adecuación de nuestras teorías para describirlo.
Así que lo único que puedo concluir es:
Habrá que seguir estudiando
