The Goddamn Particle (II)

Quedamos en el post anterior en que la aparición del bosón de Higgs suponía la confirmación experimental de una importante predicción del Modelo de Partículas Estándar. Ahora bien, ¿en qué consiste este modelo? Antes de llegar a tal nivel de complejidad debemos asentarnos en algunas nociones previas.

En el estudio de la Naturaleza, podemos preguntarnos por la estructura de todo lo que existe (en general, radiación y materia). Por otra parte, también cabe preguntarse cómo se relacionan entre sí tales estructuras. Hoy en día, sabemos que la materia puede descomponerse en moléculas, que a su vez se hallan formadas por átomos, llamados así en virtud a las ideas del filósofo griego Demócrito, quien ya pensaba en que las cosas se formaban a partir de pequeñas partículas indivisibles (literalmente, átomos). No obstante, resultó que los átomos también tenían estructura interna: están formados por un núcleo y electrones orbitando alrededor de ellos. Cabe destacar, a modo de inciso, que, a estas escalas, las teorías clásicas que tan bien funcionan en el macroscópico mundo cotidiano fallan estrepitosamente. Estamos, pues, en el mundo cuántico.

Decíamos que los átomos también podían dividirse, contradiciendo así a su propio nombre. Dentro del núcleo, encontramos los familiares protones y neutrones, que, por si fuera poco, también tienen estructura interna. Es decir, podemos hallar partículas que forman tales entidades. Éstas son conocidas como quarks. Ahora bien, ¿todo lo que existe en la realidad es materia estable, es decir, electrones y quarks que van formando protones, neutrones, núcleos, átomos y moléculas? Obviamente, no. Por ejemplo, la luz y, más ampliamente la radiación electromagnética, caracterizada clásicamente como una perturbación ondulatoria del medio en el que se propaga, no está formada por átomos de ninguna clase, sino por partículas conocidas como fotones. Todas aquellas partículas indivisibles, es decir, sin estructura interna, son denominadas partículas elementales. Hasta ahora podemos clasificar las partículas elementales que forman la materia en dos clases: leptones y quarks. Ambos pueden agruparse bajo la categoría de fermiones.

Por otra parte, ¿de qué manera es posible que la materia se mantenga unida? Es decir, ¿cómo pueden interaccionar partículas entre sí? En la Naturaleza existen cuatro tipos de interacciones diferentes. La gravitatoria está relacionada con una propiedad de la materia denominada masa, que se relaciona con la capacidad de atraer a otros cuerpos que también tengan masa. Es la responsable del movimiento de la Tierra alrededor del Sol o de que puedas estar sentado leyendo este artículo. Cabe destacar que Albert Einstein demostró la equivalencia entre la masa y energía de cualquier partícula mediante la archiconocida relación $E=mc^{2}$.

Tremendamente familiar es también la interacción electromagnética, relacionada con el concepto análogo de carga eléctrica, que dota a la materia de la capacidad de atraer o repeler a otros cuerpos cargados (según estén cargados con igual u opuesto signo). Gracias a la interacción electromagnética el núcleo atómico se mantiene estable, pues los electrones se mantienen unidos al núcleo al estar cargados opuestamente.

Los otros dos tipos de interacciones únicamente se dan en el seno del núcleo atómico. El núcleo, como vimos, está constituido por protones y neutrones. Los primeros tienen carga positiva y los últimos carecen de carga eléctrica. ¿Cómo es posible, pues, que se mantengan unidos en un espacio tan increíblemente reducido como el del núcleo atómico (del orden de $10^{-15} \text{m}$) una cierta cantidad de protones, cuya repulsión electromagnética debe ser enorme? Para explicarlo es necesario introducir una tercera interacción: la fuerte, atractiva entre nucleones (es decir, protones y neutrones) y responsable de la cohesión del mismo. Por último, es posible observar neutrones libres (es decir, fuera de un núcleo). Los neutrones libres no son estables, se desintegran en otros tipos de partículas. En concreto, el neutrón libre decae en protón, electrón y neutrino. El neutrino es la partícula responsable de este proceso de desintegración del neutrón y se postuló su existencia (confirmándose experimentalmente posteriormente) debido a que la masa del neutrón libre no se correspondía con la suma de masas del protón y el electrón, debiendo existir una partícula más que aportase el defecto de masa necesario. Esta interacción se conoce como fuerza débil.

El Modelo Estándar implica que cada una de estas interacciones, realmente se lleva a cabo mediante el intercambio de una partícula elemental, llamada bosón. Así pues, hemos encontrado dos tipos de partículas elementales: los fermiones, que forman la materia y divididos en dos clases: leptones (partículas que no 'sienten' la interacción fuerte) y quarks (partículas que 'sienten' todas las interacciones) y los bosones, que posibilitan las interacciones. Ejemplos de bosones son los fotones (posibilitan la interacción electromagnética), los gluones (portador de la interacción fuerte) o los bosones W y Z (portadores de la interacción débil). Por tanto, tenemos partículas llamadas fermiones, que constituyen la materia, y que intercambian otro tipo de partículas llamadas bosones para interaccionar entre sí (radiación).

Pues bien, el Modelo Estándar, supone que la interacción débil y la electromagnética son, en el fondo, las dos caras de una misma interacción (es decir, el procedimiento de intercambio de bosones se comportan prácticamente igual a energías muy altas). Esta suposición, de la cual uno de sus autores fue el constantemente nombrado Peter Higgs, funciona asombrosamente bien, como decimos, a energías muy altas, pero se encuentra con un problema a energías bajas.

Los fotones no tienen masa (viajan a la velocidad de la luz, un límite máximo de la Naturaleza), mientras que los bosones W y Z tienen una masa relativamente alta. Esto explica por qué la interacción electromagnética es mucho más intensa que la interacción débil. Además, según lo anterior, los bosones W y Z a altas energías (esto es, moviéndose con velocidades cercanas a las de la luz) se comportan prácticamente como si no tuvieran masa. Las preguntas que surgen entonces es: ¿por qué unos bosones tienen más masa que otros? Y más generalmente, ¿por qué una partícula tiene una determinada masa? ¿Cuál es el origen de la misma? ¿Y por qué a energías altas parece que las partículas tengan menos masa?

Para solventar este problema, los físicos teóricos propusieron la existencia de un campo energético, denominado campo de Higgs, que cubriera todo el espacio y que interactuase con los distintos bosones (y más en general, con las partículas subatómicas), otorgándoles su masa característica. Del mismo modo que el campo electromagnético está construído por una ingente cantidad de bosones que posibilitan la interacción (en este caso, fotones), este campo de Higgs debería estar constituído elementalmente por los bosones de Higgs. De este modo, al atravesar un fotón el campo de Higgs, apenas interaccionaría con los bosones de Higgs, de modo que "no se frenaría" y mantendría su velocidad máxima. Es decir, no tendría masa. Igualmente, los bosones W y Z que atravesasen el campo de Higgs a baja velocidad se verían frenados por los bosones de Higgs, dotándoles de una cierta masa. Sin embargo, a altas energías (velocidades), los bosones W y Z sufrirían mucho menos la interacción con el campo de Higgs, lo que se traduciría en un comportamiento acorde con una masa menor. La partícula elemental más pesada, el quark top, apenas podría avanzar en este campo de Higgs ya que su interacción con los bosones sería de enorme magnitud, obteniendo, entonces una masa considerable. Como vemos, el mecanismo de interacción con el campo de Higgs dota a cada partícula de la propiedad elemental llamada masa.

El bosón de Higgs es la única partícula de todas las contempladas en el Modelo Estándar que aún no había sido detectada experimentalmente. Su hallazgo, de confirmarse, al margen de confirmar el origen de la masa de las demás partículas, supone que la teoría actual que explica el Universo, aunque incompleta (pues la interacción gravitatoria no se explica mediante el Modelo Estándar), es probablemente correcta. No obstante, debe reinar la cautela ante el posible descubrimiento, pues desde el CERN se asegura que se ha descubierto un nuevo bosón tipo Higgs, pero no tiene por qué ser el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar.