Cómo funciona el Bosón Higgs.?

Cualquiera que no haya vivido en una cueva durante los últimos años habrá leído más de una noticia sobre el LHC, el Gran Colisionador de Hadrones que la UE con la colaboración de otros países ha construido en el CERN, en la frontera francosuiza, con el supuesto objetivo de reproducir la física del Big Bang. 

Pese a ello, y aún cuando la frase anterior ya le hace a uno levantar la ceja con escepticismo, no es esta empresa la que ha llevado a la fama absoluta al ciclotrón de Ginebra, si no el intento de búsqueda de la mal llamada por el periodismo Partícula de Dios: El Bosón de Higgs.  

A pesar de que su nombre popular es completamente exagerado, sí es verdad que el bosón encargado de propagar el campo de Higgs juega un papel fundamental en la comprensión de la sopa de partículas que forma el Universo, pues sería el encargado de lo que se conoce como ruptura electrodebil, uno de los fenómenos más importantes en física y que explica el porqué los fotones no tienen masa mientras que los bosones W y Z sí.

 Esta última afirmación puede parecer irrelevante a la vista de la gran variedad de masas que las distintas partículas poseen, pero en realidad constituye uno de los problemas aún sin resolver completamente en nuestro modelo de las interacciones fundamentales, pues cuando las energías son suficientementes altas, las interacciones electromagnética y débil se vuelven una sola, comportándose todos sus partículas transmisoras como partículas sin masa. 

Es decir, lo que a energías cotidianas observamos como dos fuerzas distintas, el electromagnetismo y la nuclear débil (causante de las desintegraciones radiactivas), cuando subimos la temperatura (equivalente  a darle más energía a las partículas) se confunden, haciendo indistinguible una interacción de la otra.

 Suena raro, lo se, pero es algo comprobado experimentalmente desde los años 60, pues las energías necesarias no son excesivamente altas.

 Así que surge la duda ¿por qué esto ocurre? 

¿Qué clase de fenómeno se ocupa de dar masa a parte de los bosones (W Y Z) mientras el fotón se salva de engordar? 

Y aquí es donde aparece el dichoso Bosón de Higgs.

La interacción debil es la causante de las desintegraciones radiactivas

 Para comprender este fenómeno, supongamos que tenemos un campo que propaga una interacción “parecida” al electromagnetismo por el espacio (o equivalentemente, que tenemos partículas transmisoras sin masa moviéndose de un punto a otro continuamente). 

Este campo, como todo lo que existe en física, tendrá una cierta energía potencial, cuyo mínimo (en vista a la naturaleza vaga del Universo) indicará el estado de equilibrio del campo.

 Es decir: la situación estable es aquella donde la energía potencial del campo es mínima. 

Además, en esta situación, su energía cinética será nula, pues el campo estará en equilibrio y no se moverá de ese punto.

 Por tanto, toda la energía que le quede al campo, la correspondiente al mínimo de la energía potencial, ha de ser únicamente debida a la masa en reposo de las partículas que lo propagan (recordar, E=mc^2); pero como estas no tienen masa,  este valor es cero. 

Sin embargo, si el mínimo de la energía potencial del campo tuviese otro valor, la partícula adquiriría masa al instante en situación recíproca.

 ¿Ven por qué camino vamos para explicar la ruptura electrodebil?

 

Un mínimo de energía con valor distinto de cero para el campo de Higgs obliga al campo EM a tener energía no nula y, por tanto, masa

Añadamos ahora al cóctel un campo que se conoce como escalar y que no es más que una interacción propagada por partículas de spín cero, como el bosón de Higgs.

 Si este nuevo campo interactúa con el anterior, aparecerá una nueva contribución a la energía potencial que dependerá no sólo del valor del campo “electromagnético” si no también del valor del campo escalar. 

Y, ¿qué ocurriría si el valor de la energía del campo de Higgs que hemos introducido fuese distinto de cero en la posición de equilibrio?

Pues que el valor del mínimo de energía de nuestro campo tipo EM también sería distinto de cero y adquiriendo sus partículas masa instantáneamente por mediación de este.

 Esto es lo que creemos que ocurre en la naturaleza. 

De alguna manera, la interacción débil y electromagnética, que a altas energías son la misma, interactúan con un campo de Higgs de manera que parte de las componentes de la interacción original (las correspondientes a la débil) ven desplazado su mínimo de energía, adquiriendo masa sus partículas transmisoras, mientras que el fotón se salva del fenómeno.

 El gran problema de asumir que este mecanismo es la respuesta a la ruptura radica en que la masa del propio bosón de spin cero que propaga el campo de Higgs es un parámetro libre: basta con que exista y su masa no sea nula para que el mecanismo funcione, por lo que esta podría tener cualquier valor. 

Por ello, cada vez estamos construyendo aceleradores más grandes, que nos permitan obtener energía cada vez mayores, con la esperanza (en el asunto que nos atañe) de poder generar un bosón de Higgs en algún momento. 

De hecho, a día de hoy casi hemos recorrido el camino completo, pues tenemos acotada la masa de esta esquiva partícula tanto por arriba como por abajo, dejando las posibilidades en una estrecha franja,  el año que viene podríamos asistir a la publicación de este descubrimiento.

¿Encontrará el LHC el Bosón de Higgs?

Pero claro, muchos se preguntan qué pasaría si esto no ocurre y nunca encontramos el bosón de Higgs. 

El problema de esta posibilidad radica en que  el mecanismo de Higgs es algo muy natural. 

En el ejemplo que aquí les muestro, ven como un simple desplazamiento del mínimo de energía lo pone en acción, pero su aparición es aún más general en cualquier teoría que contemple una simetría entre partículas que, a cierta escala de energía esta rota, como puede ser la Supersimetría.

 Es decir, el mecanismo de Higgs es demasiado natural y fácil de obtener como para que no exista en la naturaleza y, sabemos por experiencia que las opciones que le damos, la naturaleza las tome. 

Pero claro quizás esta sea caprichosa y la respuesta al problema de la ruptura electrodebil sea mucho más complicada. 

Al fin y al cabo, salvo que el dichoso Higgs aparezca, aún no hemos encontrado ninguna partícula elemental de spin cero, pese a que son las que aparecen de manera más sencilla en la teoría.