Cuarenta mexicanos en el hallazgo de la “partícula de Dios”

Científicos mexicanos de nuestras instituciones de educación superior, asignados al Centro Europeo de Investigación Nuclear, participaron en “el descubrimiento del siglo”: el bosón de Higgs.

 

Edificio del Centro Europeo de Investigación Nuclear, en Meyrin, Suiza. Foto: Fabrice Coffrini/ AP

Se quitó los lentes con la mano izquierda. Un instante después, por el estruendoso aplauso de todos sus colegas dentro del abarrotado auditorio del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en francés) se enjugó las lágrimas con un pañuelo blanco que sostenía con la derecha. O quizás se enjugó las lágrimas que le produjo otra emoción: saber que su predicción era correcta, pues llevaba 46 años de espera y el cinco de julio pasado, por fin, se dio a conocer que el bosón de Higgs, también conocido como “partícula de Dios”, sí existe (con una certeza de 99.99 por ciento), aunque habrá que esperar un poco más, quizás hasta que finalice el 2012, para estar totalmente seguros.

EL BOSÓN DE HIGGS

Esta partícula, que se ha buscado desde hace 46 años, fue propuesta en 1963 por el entonces joven físico teórico inglés Peter Higgs, y es fundamental para entender todo lo que nos rodea, en particular para comprender por qué todos los objetos, subatómicos, espaciales o todo lo que tiene usted en su casa, tienen masa. Es el campo de Higgs, producto del bosón de Higgs, el verdadero causante de que otras partículas posean cierta cantidad de masa. Imaginemos este campo de Higgs como una alberca de miel: una partícula, al atravesar este campo, se “impregnará” (o no) de miel, lo que se traduce en cierta cantidad de masa. La luz que ilumina estas páginas de M Semanal (hecha de fotones) no posee masa, a diferencia de los electrones que son los causantes de la corriente eléctrica, por ejemplo. Los fotones no se impregnan al pasar por el campo de Higgs (pasan como si nada) y los electrones sí. El bosón de Higgs, ni más ni menos, proporciona esa masa. De ahí la parte fundamental de su importancia y de su sobrenombre como “partícula de Dios”, sin atisbos de humildad.

La magnitud de lo predicho por Peter Higgs tuvo, como muchas veces sucede en la ciencia (y en la vida) una parte muy curiosa. En 1964 mandó un primer artículo donde mencionaba esta partícula a la revista de ciencia Physics Letters. Se creyó que no aportaba nada nuevo respecto a una publicación anterior de él mismo. Higgs insistió pero ahora en otra revista, Physical Review Letters, donde fue aceptado y ahora se le considera uno de los artículos más famosos en la historia de la física.

 

De izquierda a derecha: el director general del CERN, Christopher Llewelyn; el director científico, Lyn Evans; los investigadores Herwin Schopper, Luciano Maiani y Robert Aymard, el cuatro de julio pasado en la presentación de resultados de los experimentos ATLAS y CMS. Foto: Denis Balibouse/ AFP

 

El CERN

El miércoles pasado se escucharon las explicaciones de dos grupos del CERN que trabajaron de manera independiente (ATLAS y CMS), pero que encontraron resultados similares que se resumen en que se halló una partícula de aproximadamente 126.5 giga electrovoltios con una probabilidad de error de uno en un millón (casi cero). Muy, pero muy probable, dijeron los oradores, se trata del bosón de Higgs.

Pocos lugares en el mundo reúnen a tantos científicos de gran nivel como el CERN, ubicado en la frontera entre Francia y Suiza, muy cerca de Ginebra. Aproximadamente trabajan ahí 10 mil científicos, 40 de ellos mexicanos provenientes de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), del Instituto Politécnico Nacional (IPN), del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN (Cinvestav) y de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), que están dentro de los diferentes equipos ocupados del Acelerador de Partículas. Este acelerador es similar a una dona enorme de 27 km de circunferencia, cuya estructura sirve para aumentar la velocidad de partículas y conocer cómo se encuentran compuestas al hacerlas chocar contra un blanco fijo o contra otras partículas.

Para hacer un símil: imagine que estrella un reloj despertador contra una pared; al romperse podemos conocer las piezas que lo componen. De igual manera, al estrellar partículas subatómicas es posible conocer cómo se encuentran conformadas o, inclusive, es posible crear nuevas partículas. Entre mayor velocidad se tenga al hacerlas chocar, más cosas sabremos en los impactos. El reto es aumentar la velocidad lo más cercano a la velocidad de la luz, es decir, inyectar la mayor cantidad de energía; pero lo complicado para los físicos e ingenieros es construir aceleradores más potentes de campos magnéticos y eléctricos, que son los que consiguen que las partículas cargadas se muevan. Como todo en la vida, esto cuesta mucho dinero, por lo que no sólo se convierte en un problema científico, sino financiero.

 

Gráfica del rastro dejado tras el choque de dos protones altamente cargados de energía. Foto: CERN

CLASIFICANDO PARTÍCULAS

Un modelo es una representación de algo que ayuda mucho para su comprensión (se debe hacer énfasis en la idea de “representación de algo”). Por ejemplo, alguien puede construir un modelo de casa para posteriormente tratar de vender casas reales en un fraccionamiento. El modelo puede tener el tamaño real que tendrán las casas, los mismos colores, las mismas formas, pero quizás no sea habitable pues la estructura y los cimientos no sean lo suficientemente resistentes. A final de cuentas es sólo un modelo. De igual manera, los modelos en ciencia no son representaciones terminadas (porque no se tiene toda la información necesaria), pero nos ayudan a entender, hasta cierto punto, cómo es una parte de la naturaleza. Cuando se va teniendo más información, el modelo es más completo y describe de mejor manera a la naturaleza; o caso contrario, si la información nueva contradice al modelo, éste se desecha y habrá que buscar otro.

El bosón de Higgs es la última partícula que faltaba por descubrir del “modelo estándar” de la física de partículas, que propusieron Murray Gell-Man, Sheldon Lee Glashow y George Zweig en 1961, hace poco más de 50 años, y que se trata del mejor modelo que representa la física de las partículas, porque poco a poco se ha ido descubriendo todo lo que ha predicho. Este modelo describe las partículas de las que estamos hechos todos y todo, y las fuerzas que actúan entre ellas.

Hasta la década de 1930, se creía que la materia estaba constituida por sólo tres partículas, justamente aquellas que constituyen los átomos: electrones, protones y neutrones. Pero conforme pasaba el tiempo comenzaron aparecer una serie de partículas que se supo rápidamente no estaban compuestas por las tres fundamentales conocidas hasta ese momento. Entre las nuevas se encontraron los neutrinos, los positrones, los fotones, los piones, los mounes, etcétera.

A principios de la década de los sesenta, ya se tenía un zoológico amplísimo de partículas elementales que se contaban en más de 100. Ante la gran variedad de partículas que la naturaleza presenta, era necesario hacer lo que es un trabajo muy común e importante en ciencia: agrupar y clasificar, esto es, identificar las cosas o fenómenos que tiene elementos en común y describirlos con las mismas expresiones (leyes y teorías, entre otros).

Todas las partículas predichas por el modelo estándar ya habían sido descubiertas a lo largo del siglo XX (11 en total), y sólo faltaba el bosón de Higgs. Que se haya descubierto durante los experimentos y toma de datos en el Gran Colisionador de Hadrones, GCH (en inglés, Large Hadron Collider, LHC) de la CERN durante el 2011 y 2012 no es otra cosa que la confirmación de que el modelo estándar funciona bien. El modelo de casa no sólo tiene el mismo tamaño, colores y formas, la cimentación también es la correcta.

 

Corte del solenoide magnético superconductor, dentro del Gran Colisionador de Hadrones. Foto: Fabrice Coffrini/ AP

El bosón de Higgs no solamente nos explica el por qué las partículas tienen o no masa. Es clave en el entendimiento del Big Bang y de la posterior formación de las estrellas y planetas, pues se cree que en el inicio el universo era un conjunto de partículas que se movían en diversas direcciones a la velocidad de la luz, sin ninguna masa aparente. Pero gracias al campo de Higgs, ganaron masa y fueron conformando el universo tal y como lo conocemos actualmente: el Sol, la Tierra, su taza de café y nosotros mismos tenemos masa porque las partículas la van ganando gracias a este campo que está en todos lados. Esta idea, según Higgs, es lo más brillante que se le haya ocurrido durante su vida académica, y es lo que muy probablemente le signifique un premio Nobel dentro de poco.

Lo que se ha encontrado es algo de importancia fundamental para la física y el conocimiento de la naturaleza. Con el descubrimiento, ha dicho Higgs, se abre la puerta a una nueva física, se ampliará el conocimiento que tenemos de la materia oscura, la supersimetría o la energía atómica. ¿Tendrá alguna aplicación práctica? Estamos lejos de saberlo, pero podemos recordar una anécdota famosa entre los físicos: Michael Faraday, descubridor del campo magnético, exponía su descubrimiento frente a una audiencia en el siglo XIX. Un político le preguntó para qué servía lo que estaba explicando, y Faraday le contestó: “Aún no lo sé, pero estoy seguro de que en 50 años se cobrarán impuestos por utilizarlo”. El descubrimiento de Faraday dio pie, muchos años después, a los motores y generadores eléctricos.

Ojalá con este artículo se haya explicado, grosso modo, de qué se trata la “partícula de Dios”, y muy posiblemente alguno de ustedes sea capaz de ganar una botella de champaña al ex ministro británico de ciencia, pues en 1993 aseguró que no sabía si habría financiamiento para la búsqueda del bosón de Higgs, pero lo que sí era seguro en que invitaría una botella de champaña a quien le explicara de qué se trataba la tal “partícula de Dios”. Hubo financiamiento por parte del gobierno británico y de los demás gobiernos europeos que tienen injerencia en el CERN, y por eso estamos hablando hoy en día de su posible descubrimiento, el acontecimiento científico más importante de lo que va de este siglo, por supuesto, producto de varios miles de apasionados por la ciencia.

 

Peter Higgs posa junto a Fabiola Gianotti, vocera del experimento ATLAS, Rolf Heuer y otros científicos. Foto: Denis Balibouse/ AFP

La vida dentro del Gran Colisionador de Hadrones

Imaginemos la escena dentro de uno de estos dispositivos: en una dirección se aceleran partículas a 99.99 por ciento la velocidad de la luz (casi 300 mil km/s). En dirección contraria se acelera otro haz de partículas hasta alcanzar la misma velocidad. ¿Y por qué no a una velocidad más grande? Porque se sabe que entre más velocidad lleve una partícula, su masa aumenta y por eso cada vez es más difícil seguir incrementándola. Es como si empujáramos a un niño en un triciclo, y entre más velocidad les proporcionemos, el niño y el triciclo se volvieran más masivos, por lo que cada vez nos costará más trabajo moverlos. Lo mismo pasa con las partículas (y con toda la masa en general): entre más rápido vayan, más trabajo cuesta aumentarles todavía más la velocidad debido a que aumenta su masa progresivamente. Dicho de otra forma: no es posible alcanzar la velocidad de la luz pues se necesitaría una energía infinita para conseguirlo. Por eso sólo es posible mover una partícula hasta un cierto porcentaje de la velocidad de la luz, que puede ser muy cercano al ciento por ciento, pero nunca lo alcanza exactamente.

Todo lo anterior se desprende de la teoría especial de la relatividad que Albert Einstein enunció en su Annus Mirabilis de 1905. En el comportamiento de las partículas que se mueven dentro de los aceleradores se verifican día a día las teorías de Einstein.

Específicamente, en el CERN se encuentra el Gran Colisionador de Hadrones (GCH), cuyo objetivo es impactar haces de protones contra otros protones, que son unos de los componentes de los núcleos atómicos. Se “utilizan” protones por dos razones diferentes: una, tienen mucha más masa que los electrones, por lo que sus colisiones son más “espectaculares”, es decir, hay más probabilidad de encontrar partículas nuevas (por lo masivo) producto de los impactos; y dos, ¿por qué no un neutrón si es casi tan masivo como un protón? Porque los campos eléctricos y magnéticos que aceleran a las partículas no afectarían a una partícula que no tiene carga (el neutrón, como su nombre indica, no posee carga eléctrica; el protón tiene carga positiva y el electrón, negativa). Se requiere una partícula masiva y con carga. El protón es el ideal.

Por lo anterior, entre mayor energía por velocidad lleven los protones, mucha más masa tendrán, por lo que al colisionar protones contra protones es posible hallar partículas como el bosón de Higgs cuya masa es todavía más grande que la de un protón. En el GCH es posible conseguir que los protones aumenten su masa entre 130 y 200 veces al ser acelerados.

José Manuel Posada de la Concha
2012-07-07 | Milenio semanal
MILENIO