El año 2012 pasará a los anales de la historia de la física por el descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, cerca de Ginebra (el famoso LHC por sus siglas en inglés Large Hadron Collider).
La única partícula predicha por la teoría del modelo estándar de las partículas elementales que aún faltaba por encontrar permitirá estudiar el campo de Higgs, responsable de que haya partículas con masa, y las propiedades del universo cuando solo tenía una billonésima de segundo tras la gran explosión (el big bang). Además, muchos físicos creemos que la física del campo de Higgs podría ser una puerta hacia el descubrimiento de nuevas leyes físicas más allá del modelo estándar. Alrededor de la partícula de Higgs se han generado un gran número de mitos y malentendidos. Muchos físicos evitan ideas matemáticas y conceptos abstractos cayendo en analogías inadecuadas que en lugar de ayudar al profano solo le confunden más. En este podcast trataré de aclarar algunos de los mitos sobre el bosón de Higgs; no están todos, pero espero haber incluido los más comunes.
El campo de Higgs no explica la gravedad.
Mucha gente cree que si el campo de Higgs permite explicar el origen de la masa de las partículas, entonces debe ayudar a entender el origen de la gravedad. Sin embargo, esto no es así, la masa es la fuente de la gravedad solo en la física newtoniana, donde los objetos sin masa, como la luz, ni producen, ni perciben la gravedad. Por el contrario, en la teoría de Einstein los rayos de luz se curvan en un campo gravitatorio, ya que la fuente de la gravedad en la teoría de la relatividad es la energía, a través del llamado tensor de energía-momento.
En la física newtoniana la masa es una propiedad intrínseca de todos los cuerpos que se conserva; de hecho, Newton se refiere a ella como “cantidad de materia”. Hay dos tipos de masa en la física newtoniana, la inercial y la gravitatoria. La segunda ley de Newton afirma que la fuerza es igual al producto de la masa (inercial) por la aceleración, en símbolos F=m a. La ley de la gravitación universal de Newton dice que la fuerza de la gravedad es igual al producto de la masa (gravitatoria) por la aceleración de la gravedad, en símbolos F=m g, donde g=G M/R2 (M es la masa que genera el campo gravitatorio, R la distancia entre ambos cuerpos y G es una constante universal). El principio de equivalencia (newtoniano) afirma que la masa inercial y la masa gravitatoria son idénticas. Los cuerpos en movimiento tienen momento (“cantidad de movimiento”), el producto entre la masa y la velocidad, en símbolos p=m v, y energía (cinética), la mitad del producto de la masa por la velocidad al cuadrado, en símbolos E=m v2/2. Tanto el momento como la energía son propiedades conservadas en la física newtoniana, igual que la masa.
En la física relativista los conceptos fundamentales son la energía y el momento. De hecho, la masa es la energía de un cuerpo en reposo y no se conserva (por ejemplo, en las desintegraciones radiactivas, o en la aniquilación de materia y antimateria). La famosa fórmula de Einstein E=m c², es válida solo para p=0. Para un cuerpo en movimiento la energía es igual a E²=(m c²)² + (p c)², de tal forma que la energía de un cuerpo con masa nula, como la luz, es E=p c. La energía (el tensor de energía-momento) es la fuente de la gravedad en la teoría de Einstein y actúa curvando el espaciotiempo. El principio de equivalencia (relativista) afirma que la gravedad y la aceleración de un cuerpo en un espaciotiempo curvo son equivalentes entre sí (a nivel local). En la teoría de la relatividad la distinción entre masa inercial y gravitatoria no tiene sentido físico. Las partículas tienen masa gracias a su interacción con el campo de Higgs, pero incluso si no existiera el campo de Higgs y las partículas no tuvieran masa también serían sensibles a la gravedad. El campo de Higgs, como cualquier otro campo, tiene asociado un tensor de energía-momento, siendo capaz de producir y percibir la gravedad. El Higgs gravita, pero más allás de eso no hay nada de especial en la conexión entre el Higgs y la gravedad.
El campo de Higgs no le da masa a los cuerpos. Otro mito muy extendido es que la física del bosón de Higgs permite explicar la masa de todos los objetos que nos rodean en la vida cotidiana. En realidad menos del 5% de la masa de un cuerpo es debida a la masa de las partículas (elementales) que lo forman (quarks y electrones), el resto es energía (tanto cinética como potencial de enlace).
La masa de un cuerpo compuesto de partes es igual a la suma de las masas de cada una de éstas menos la energía de enlace que las une entre sí. La energía de los enlaces químicos que unen los átomos es despreciable, unas mil millones de veces menor que la masa de un átomo. Los átomos están formados por un núcleo orbitado por electrones ligados a él por un campo electromagnético. La energía de inonización, necesaria para extraer un electrón de un átomo es del orden de los 10 eV. El defecto de masa total para un humano se puede calcular fácilmente (en mi blog lo comento) dando como resultado unos 7,6 gramos por cada kilogramo, más o menos 12 explosiones de Hiroshima por cada kilogramo. Para todos los cuerpos, la masa de los núcleos corresponde a más del 99,9% de la masa total de sus átomos.
Un núcleo está formado por protones y neutrones (es decir, nucleones) unidos entre sí por una fuerza nuclear fuerte (efectiva). La masa de un núcleo siempre es menor que la suma de las masas de sus nucleones (aislados), porque la energía de enlace (llamada defecto de masa) es negativa. Esta energía por nucleón es menor del 1% de su masa, luego más del 99% de la masa de un cuerpo es debida a la masa de sus protones y neutrones. Los nucleones están compuestos de quarks ligados por la fuerza fuerte, es decir, por un campo de gluones (descritos por la teoría llamada cromodinámica cuántica, QCD). Lejos, el nucleón se comporta como si estuviera formado por tres quarks (de valencia); la masa estimada de estos quarks da cuenta de menos del 1% de su masa total.
Sin embargo, el interior del protón es muy complicado. El campo de gluones es tan fuerte que produce multitud de pares quark-antiquark virtuales, incluyendo quarks extraños (s), por lo que es difícil saber cuánta masa de un nucleón es debida a la masa de sus quarks, es decir, al campo de Higgs. Los modelos numéricos (QCD en redes o lattice QCD en inglés) indican que aproximadamente el 95% de la masa de un nucleón es debida al campo de gluones (suma de energía potencial y cinética). Luego menos del 5% es debido al campo de Higgs.
A escala cósmica, la cuestón es aún peor. Según los datos del telescopio espacial Planck de la NASA sobre el fondo cósmico de microondas, El 31% del universo es materia y el 69% restante es energía oscura, pero solo el 5% del universo es materia bariónica, siendo el 26% restante materia oscura. No sabemos lo que es la materia oscura, pero la mayoría de los físicos creemos que son partículas aún por descubrir. Tampoco sabemos si el campo de Higgs dota de masa a dichas partículas (podría ser otro bosón de Higgs diferente (dentro de una familia de Higgs) u otro mecanismo diferente). Por tanto, con seguridad, el Higgs explica la masa de menos del 5% de la masa de la materia bariónica que constituye un 5% de todo el universo. Decir que el Higgs explica la masa en general es un poco exagerado, creo.
El vacío del campo de Higgs no es el éter. Un mito que desagrada mucho a los físicos es la interpretación del campo de Higgs como el nuevo éter del siglo XXI. Para explicar el campo de Higgs, que permea todo el espaciotiempo, como cualquier otro campo fundamenal, mucha gente imagina el universo como una piscina inmensa llena de agua en reposo. Todo lo que avanza a través del agua encuentra una resistencia que se interpreta como la masa. Como el agua está en reposo, define un sistema de referencia absoluto, violando los principios de la teoría de la relatividad. Obviamente, esta imagen no tiene ningún sentido físico y ni siquiera permite explicar cómo una partícula puede tener masa cuando está parada. El campo de Higgs es un campo relativista y su valor para el vacío no tiene nada que ver con el éter.
En el siglo XIX el éter era necesario para entender la naturaleza de la luz, ya que se pensaba que si estaba formada por ondas (electromagnéticas) tenía que haber un medio que oscilara, como ocurre con el sonido que son ondas de presión en el aire. Sin embargo, la teoría de la relatividad desterró el concepto de éter porque permite definir un sistema de referencia absoluto, algo incompatible con los resultados de los experimentos.
Los campos (relativistas) pueden propagar energía e información de un lugar a otro en forma de ondas y pueden afectar a otros campos sin que exista un medio que oscile. El campo de Higgs es un campo relativista, como puede serlo el campo electromagnético, y en ambos casos el éter es un concepto innecesario.
La idea de asociar el campo de Higgs al éter se justifica porque su vacío tiene un valor positivo de la energía. Los campos permiten la propagación de ondas, que en los campos cuánticos se observan como partículas. El estado del campo sin partículas se denomina vacío y el valor de la energía asignado al vacío es arbitrario. Lo único que se puede medir en los experimentos es la diferencia entre la energía de las partículas del campo y la energía del vacío. Por convenio, cuando el valor del vacío de un campo no cambia se le asigna un valor igual a cero. Sin embargo, el valor de la energía del vacío para un campo puede cambiar de valor en una transición de fase, como le ocurre al campo de Higgs.
Por encima de cierta energía crítica el vacío toma un valor cero y las partículas de Higgs son ondas del campo respecto a dicho valor nulo; por debajo de esta energía crítica el vacío adquiere un valor positivo y las partículas del campo corresponden a ondas respecto a dicho valor no nulo. En ambos casos el valor asignado a la energía del vacío es constante en todos los puntos del espaciotiempo y no permite definir ningún sistema de referencia absoluto.
Por ello no tiene sentido físico considerar que se asemeja a la noción clásica de éter.
