El Bosón de Higgs y el Origen de la Masa

Por Hernán Asorey e Iván Sidelnik

Pensemos por un momento en los fenómenos magnéticos. Todos, cuando fuimos pequeños, nos hemos maravillado por esa propiedad que tienen los imanes de ejercer una acción a distancia, atrayendo por ejemplo a un pequeño trozo de hierro, o mejor aún, repeliendo otro imán. Desde pequeños aprendemos empíricamente, que existen dos tipos de cargas eléctricas, y a falta de un mejor nombre, las llamamos positivas y negativas. ¿Cuál es el significado físico de la carga? Es, de alguna forma, la sensibilidad de la materia frente a una de las interacciones fundamentales, en este caso, la fuerza electromagnética.

Así, a esa acción a distancia que notábamos de pequeños se la asocia con la existencia de un campo, que en ese caso será el campo electromagnético. Luego, cada interacción fundamental estará asociada con un campo asociado.
Para entender el concepto de campo, podemos pensar en que los campos son como el aire, que llena todo el espacio, y que sólo puede ser percibido por la acción que el aire ejerce sobre nosotros, o sobre otros cuerpos. De la misma forma, los cuerpos cargados responden a las interacciones alterando su estado de movimiento debido a la interacción con el campo, como un barco se desvía en el mar por la acción del viento.
¿Cómo será esa alteración? Newton advirtió que cuanto mayor sea la masa del cuerpo tanto menor será la alteración que sufra en su movimiento frente a los mismos estímulos externos. Aparece aquí una nueva propiedad de los cuerpos, su masa, que refleja ni más ni menos el contenido de materia de los mismos.
Lo que resulta notable es que la masa también se comporta como una carga frente a otra de las interacciones fundamentales de la materia: la gravedad. Así, un cuerpo más masivo al ser expuesto al campo gravitatorio de, por ejemplo la Tierra, termina siendo más “pesado”: la interacción gravitatoria es proporcional a las masas de los cuerpos que interactúan.
El modelo estándar es la teoría que describe las interacciones fundamentales de la Naturaleza, dando una acabada descripción de tres de ellas: la fuerza electromagnética y las fuerzas nucleares fuerte y débil. Sin embargo, a pesar de los numerosos intentos, aún no ha sido posible incorporar la gravedad a la teoría.

El origen de la masa
La masa, al igual que la carga eléctrica, es una propiedad inherente de los cuerpos. Todo mecanismo que intente explicar cuál es el origen de la masa debería, a priori, incluir el modelo estándar. Sin embargo, la particular ambivalencia de la masa, que se comporta como masa inercial para describir al movimiento propio y como masa gravitatoria para describir su interacción con otros cuerpos, hace que sea mucho más complicado entender como ésta funciona frente a los métodos usuales utilizados para describir las otras interacciones.
En 1964, tres grupos independientes propusieron una extensión de un modelo anterior para explicar la interacción de la masa. Según este modelo, el llamado mecanismo de Higgs (nombrado por quien fuera líder de uno de los grupos de investigación), las partículas adquieren su masa al interactuar con un campo que llena todo el espacio-tiempo conocido hoy como campo de Higgs.
Pensemos nuevamente en el aire. El movimiento de un avión de papel dista mucho de parecerse al movimiento de una pluma en el aire. La forma aerodinámica del avión de papel logra que su interacción con el aire sea muy pequeña haciéndolo planear. En cambio, la forma de la pluma maximiza dicha interacción. El efecto final es claro: debido a la resistencia del aire es mucho más difícil que la pluma se desplace respecto a un avión de papel, por lo que la masa efectiva es tanto mayor cuanto mayor es la interacción con el medio. Algo similar ocurre con las partículas: dependiendo de cuál es su grado de interacción con el campo de Higgs, su masa efectiva será mayor o menor.

El bosón de Higgs
En el modelo estándar, cada interacción fundamental es mediada por una partícula asociada a un campo. Por ejemplo, el fotón es la partícula que media las interacciones electromagnéticas. La partícula mediadora del campo de Higgs, y cuya interacción origina la masa de las otras partículas, es el llamado bosón de Higgs.
Desde la década del ’70 numerosos experimentos han buscado señales sobre la existencia de dicha partícula. Sólo pudieron encontrar tenues indicios de su existencia teniendo que explorar energías cada vez más elevadas y perfeccionando técnicas de detección y generación de partículas.
El hecho de que su descubrimiento haya sido tan esquivo durante años, hizo que el bosón de Higgs se ganara el mote de “la partícula de Dios”. Esta ironía se originó en el título de un libro que explica el tema y muchas veces lleva a importantes mal entendidos generando gran expectativa en los medios.

El Gran Colisionador de Hadrones
Una de las principales motivaciones para el financiamiento y la construcción del siguiente acelerador de partículas, el Gran Colisionador de Hadrones o LHC por sus siglas en inglés, fue la de descubrir o descartar en forma definitiva la existencia del bosón de Higgs. Para lograr las reacciones necesarias para que el bosón de Higgs se produzca, se aceleran dos haces de protones, (núcleos del Hidrógeno) a energías muy altas forzando su colisión en el interior de detectores gigantes que logran identificar las partículas resultantes de esa colisión. Luego, con toda la información del choque se buscan las señales distintivas de que en ese maremágnum de partículas “el Higgs” se haya mostrado.
El 4 de Julio de 2012 fue anunciada la identificación de una nueva partícula que podría coincidir con el tan esperado y buscado bosón. Sin embargo, la estadística acumulada en estos dos años de operación no es aún suficiente para anunciar el ansiado descubrimiento de la elusiva partícula, que esquivo a los científicos por años. De todas formas, se espera que antes del final de este año pueda confirmarse este anuncio. En caso de ocurrir, sin lugar a dudas se habrá dado un enorme paso, casi un salto, en nuestra comprensión de la Naturaleza.

Evento registrado con uno de los detectores del LHC, el CMS, una colisión protón-protón.
Este evento muestra lo que se espera del decaimiento de un bosón de Higgs a dos fotones marcados por las líneas amarillas punteadas y las verdes que le siguen.