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Actualidad científica

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    Logran modificar la forma de los tejidos embrionarios mediante optogenética

    Con ello se está más cerca de la creación de tejidos biológicos con formas personalizadas, lo que tiene importantes repercusiones en medicina regenerativa.

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  • Investigación y Ciencia
  • Febrero 2014Nº 449
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Bosón de Higgs

Su importancia en la consolidación del modelo estándar.

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BEYOND THE GOD PARTICLE
Por Leon Lederman y Christopher Hill.
Prometheus Books, Nueva York, 2013.

El 4 de julio de 2012 se descubrió el bosón de Higgs en el mayor acelerador del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra. El LHC, del Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), está consagrado a la investigación básica de la estructura interna de la materia y el comportamiento de la misma. En semejante laboratorio se producen las colisiones más energéticas entre partículas subatómicas. Este acelerador lanza protones contra protones, a las mayores energías que puede obtener el hombre. Entre el astronómico número de choques que allí se producen emerge una misteriosa y novedosa forma de materia, cuya vida dura una billonésima de segundo, lo que no empece que pueda ser reconocida en dos poderosos detectores de partículas, el ATLAS y el CMS.

El descubrimiento de la partícula de Dios, según acuñara el nóbel de física Leon Lederman, ha supuesto un hito para los físicos de partículas. Desde 1995 no se había identificado una nueva partícula fundamental. Los resultados midieron la masa del bosón de Higgs en unos 125 gigaelectronvolts (GeV), unas 133 veces la masa del protón. Predicho hace unos 50 años, el bosón de Higgs y su campo correspondiente constituyen las últimas piezas de una de las teorías de mayor éxito de la historia de la ciencia, el modelo estándar de partículas y fuerzas. Si no existiera, toda la teoría debería replantearse. El modelo estándar comprende todas las partículas fundamentales de la naturaleza, 17 con el bosón, y todas las fuerzas de la naturaleza, a excepción de la gravedad.

El modelo estándar de la física de partículas es una teoría cuántica de campos. Se centra, pues, en ondas o campos cuánticos que describen la probabilidad de hallar partículas aquí o allí. Las partículas interaccionan a través de tres fuerzas: la electromagnética, que mantiene unido el átomo; la nuclear fuerte, que enlaza quarks para formar protones y neutrones, y la nuclear débil, que produce un tipo de radiactividad. Las fuerzas vienen mediadas por bosones de aforo. Existe una notable diferencia entre campos de materia (electrones, muones, quarks, etcétera) y mediadores de las fuerzas (bosones). Las partículas de materia se denominan fermiones, en homenaje a Enrico Fermi. No puede haber dos fermiones en un mismo estado cuántico. Los bosones, cuyo nombre honra la figura de Satyendra Nath Bose, pueden apilarse en un mismo estado cuántico. El bosón de Higgs nació en respuesta a una cuestión que parecía harto abstrusa: ¿por qué el rango de la fuerza electromagnética se extiende indefinidamente, mientras que el de la fuerza nuclear débil abarca solo el núcleo atómico?

Aunque la expresión «bosón de Higgs» cuajó, con mayor fidelidad histórica debería hablarse de mecanismo de Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble. La física subyacente al bosón de Higgs fue avanzada en agosto de 1964 por François Englert y Robert Brout, de la Universidad Libre de Bruselas. Meses más tarde, de forma independiente, convergió Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo. Avanzaron el modelo de un universo que se hallaría lleno de un campo invisible, una suerte de líquido transparente y ligeramente viscoso; la interacción de las partículas con este campo produciría una resistencia a su movimiento, el efecto de una masa. ¿Por qué porta el nombre de Higgs? Unas citas equivocadas pueden tener parte de la culpa. Aunque Benjamín Lee utilizó la expresión «bosón de Higgs» en 1966, lo que parece que le dio respaldo y autoridad fue un artículo publicado por Steven Weinberg de 1967, donde erró en la prioridad. En 2012 Weinberg reconoció que se había equivocado. Siguiendo las ideas en un comienzo un tanto generales del mecanismo de Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble, Steven Weinberg las ensambló y mostró con precisión de qué modo una partícula encajaba en el esquema general de la naturaleza, que conjuga las interacciones débiles con las interacciones electromagnéticas para configurar lo que denominamos modelo estándar.

Los físicos teóricos cayeron en la cuenta de que podían conjugar la fuerza electromagnética y la fuerza débil y dar cuenta de la diferencia de sus rangos. Partieron del supuesto siguiente: así como la fuerza electromagnética viene mediada por fotones, partículas cuánticas, la fuerza débil viene mediada por el bosón W y el bosón Z. Pero mientras el fotón carece de masa, los bosones W y Z portarían masa, la cual estrecharía el rango de actuación de los mismos. Ahora bien, si los teóricos asignaban masa solo a los bosones W y Z, la teoría resultaba un fiasco matemático. Las masas de W y Z deberían proceder de las interacciones entre las propias partículas carentes de masa. Y ahí es donde entraba el bosón de Higgs. Los bosones W y Z fueron descubiertos, con las propiedades predichas, en experimentos acometidos en el CERN en 1983.

El LHC, de trazado circular, provoca con sus 27 kilómetros de longitud el choque de protones a una energía que cuadruplica la obtenida hasta ahora por cualquier otra máquina. Los choques se producen en dos detectores, el ATLAS y el CMS, que se habían aprestado a la caza del Higgs desde que el LHC comenzó a tomar datos. Todos los bosones creados en los choques deben desintegrarse en partículas conocidas; el bosón de Higgs lo hace, entre otras, en dos fotones. A partir de la energía de los fotones, los físicos experimentales pueden inferir la masa de la partícula progenitora. Los físicos de CMS y ATLAS han analizado todos los choques protón-protón en los que se han producido dos fotones energéticos. El siguiente paso consiste en medir la energía y direccionalidad de cada par de fotones. Con esos datos puede obtenerse su «masa invariante»; es decir, la energía de los fotones según la mediría un observador imaginario que viajara montado en el centro de masas del sistema formado por los dos fotones.

El libro de Lederman y Hill es, además, una vindicación de la ciencia básica y un alegato contra la política cicatera que mira solo los costes inmediatos sin atender el rendimiento a medio plazo. Y recuerda que, en 1989, un joven informático, Tim Berners-Lee, escribió una propuesta sobre un sistema de información distribuida. Pensada para los físicos de partículas, la red ideada trascendió esos límites, fijados en 1991. En 1993 comenzaba extenderse a otros ámbitos. La Telaraña Mundial (World Wide Web) fue en efecto una consecuencia directa de investigación básica en física de partículas. Ese mismo año de 1993, el Congreso de los Estados Unidos cancelaba el proyecto del nonato Supercolisionador Superconductor. Esa cancelación privó a los Estados Unidos de la posibilidad de descubrir la partícula de Dios.

Afortunadamente para los científicos estadounidenses al menos, EE.UU. participó en la construcción del LHC. La física de partículas se ha desarrollado hasta el extremo de convertirse en una actividad internacional. Ningún acelerador de partículas podría construirse sin una plena colaboración internacional. Incluso la utilización del Tevatrón del Fermilab, el principal acelerador de partículas durante los dos decenios anteriores a la puesta en marcha del LHC, fue una empresa internacional.

A finales de la Segunda Guerra Mundial, la ciencia europea había perdido su papel rector y cedió el testigo a los Estados Unidos. Pero Niels Bohr y Louis de Broglie, entre otros, siguieron apostando por la física europea. En 1957, el CERN construyó su primer acelerador de partículas, una máquina de potencia discreta que suministraba haces de partículas para los primeros experimentos. En 1959, el sincrotrón inicial se sustituyó por una máquina más potente, el sincrotrón de protones (PS). El primer colisionador protón-protón del mundo, el ISR, se construyó allí en 1971. La máquina produjo las primeras colisiones frontales protón-protón. Por aquel entonces, en California se avanzaba en el primer colisionador electrón-positrón en el laboratorio del colisionador lineal de Stanford.

A comienzos de los años setenta se habían conjuntado todos los datos disponibles que se habían venido recogiendo a lo largo de un siglo, principalmente los producidos en los aceleradores de altas energías. Los físicos habían desarrollado una teoría descriptiva y predictiva potente, que terminó por denominarse modelo estándar y unió dos de las fuerzas conocidas en una entidad unificada. Esas dos fuerzas son electromagnetismo (fuerza asociada con el magnetismo, la luz y la electricidad) y una fuerza débil, tan débil que ni siquiera se identificó hasta los noventa del siglo XIX, la denominada interacción débil. Aunque débil, sin esta última fuerza ni el Sol podría brillar, ni nosotros existir.

El modelo estándar predecía que la fuerza débil debía ir asociada a tres partículas, todavía por observar: los bosones W+, W y Z0. Con la peculiaridad de que las partículas W+ y W multiplicarían por 80 el peso del protón; por 90 lo haría el bosón Z0. Su vida media sería brevísima, casi instantánea. Ante los sólidos indicios indirectos de su existencia, se impulsó la construcción de una máquina capaz de producir directamente y observar los bosones W+, W y Z0.

A comienzos de los setenta entró en funcionamiento el principal gran acelerador del Fermilab (el Anillo Principal). Por su parte, el CERN había construido, sobre el preexistente PS, el Super Sincrotrón de Protones (SPS). Ambos, el Anillo Principal (del Fermilab) y el SPS (del CERN) alcanzaban varios kilómetros de perímetro. La física de partículas se había convertido en gran ciencia. A finales del decenio de los setenta, el Fermilab se embarcó en un proyecto a largo plazo de construcción del Tevatrón, una máquina que provocaría el choque entre protones y antiprotones y que con el tiempo habría de convertirse en el primer colisionador superconductor. Por su parte, el CERN tomó la decisión de convertir el SPS en un colisionador protón-antiprotón para cazar los bosones débiles W+, W y Z0.

En el CERN, las primeras colisiones en el SPS se consiguieron a los dos años de la aprobación del proyecto. Dos grandes experimentos del SPS, el UA1 y el UA2, comenzaron a rebuscar, entre los escombros de las colisiones, signos de partículas de interacción débil; en 1993 el CERN anunció el descubrimiento de los bosones W+, W y Z0. Carlo Rubia y Simon van der Meer, dos científicos clave de ese descubrimiento y decisivos también en la conversión del SPS en un colisionador, recibieron el Nobel de física ese año.

El Tevatrón del Fermilab comenzó a funcionar más tarde. Debe advertirse que, en el transcurso de ese período, el presupuesto del Fermilab (en dólares de hoy) era de 300 millones, mientras que el presupuesto del CERN superaba de largo los mil millones de dólares. El dinero quizá no compre la felicidad, pero sí compra ciencia punta y lo hace con rapidez y eficacia. Aunque adelantado el Tevatrón por el CERN en el descubrimiento de los bosones W+, W y Z0, la colaboración de dos experimentos, el D-Zero y el CDF, descubrieron el esquivo quark cima (top), la más pesada de todas las partículas conocidas del modelo estándar, a mediados de los noventa.

¿Qué vendrá después del LHC? Los aceleradores circulares de haces de electrones a ultraaltas energías deben solventar el problema de la importante pérdida de energía debida a la radiación de sincrotrón. Estos días se habla de alcanzar una colaboración mundial para la creación en Japón de un Colisionador Lineal Internacional (ILC). El sistema ILC presenta un límite energético superior de 1 TeV. Para crear el bosón de Higgs necesitamos el choque frontal entre un electrón y un antielectrón (positrón) a una energía total de unos 245 gigaelectronvoltios (GeV). Ese proceso de producción crea un bosón con una masa de 125GeV más un bosón Z0 con una masa de 90GeV. Necesitaríamos otros 30 GeV para maximizar el proceso. Otra posibilidad podría ser construir una gran factoría Higgs circular de electrones-positrones. O construir un LHC de muy alta energía, un VLHC. Cabe también la opción de construir un colisionador de muones. El proyecto X constituirá la pieza central del futuro del Fermilab y el programa estadounidense de Físicas de Altas Energías. El proyectoX es un acelerador de protones de alta intensidad. (Se llama X porque de momento no ha encontrado un nombre mejor.) El proyecto X constituye un objetivo tecnológico ambicioso: la construcción de un acelerador de protones de unos 5 megavatios con una energía de 3-8 GeV por protón; permitirá escudriñar las profundidades de la materia como jamás se ha hecho en física de altas energías.

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