El FAQ de Higgs

En el post anterior nos metíamos con el pobre Rafa porque su anuncio de los resultados de los experimentos realizados en el Tevatron del Fermilab dejaban en evidencia su ignorancia en temas científicos. Sin embargo, la discusión que siguió (sobre todo los comentarios de Oswaldo) me han hecho reflexionar sobre determinados aspectos relacionados con la física de altas energías. En concreto, las preguntas que me surgían son ¿para qué sirve el famoso bosón de Higgs? y ¿qué pasa si no se demuestra experimentalmente su existencia?

La mayor parte de nosotros (legos en la física de partículas) conocemos lo que se cuenta de la famosa partícula a través de prensa generalista y esto significa, ni más ni menos, que lo que se cuenta es poco más que un titular que sirva para atraer lectores. Por otra parte, las matemáticas necesarias para entender esos mecanismos se encuentran fuera de nuestro alcance. A diferencia de Rafa, aquí no pretendemos ponernos al nivel de los grandes genios de la ciencia sino, más bien, intentar entender un poco mejor determinados por qué.

Bueno, para aclarar mis propios conceptos he ido dando tumbos por Internet hasta que encontré un maravilloso sitio que, bajo el nombre de Of Particular Significance encierra un tesoro en forma de artículos sobre física. La persona que se encuentra tras ese sitio es el físico teórico Matt Strassler. Entre los artículos se encuentra un FAQ sobre Higgs que voy a traducir a continuación. El artículo no tiene fecha pero, considerando la fecha de los comentarios al mismo podemos estimar que está publicado a mediados/finales de julio de 2011. Espero que lo disfrutéis como yo lo he hecho y qeu os sirva para aclarar conceptos. Eso sí, cualquier incoherencia será debida a mí traducción.

El FAQ de Higgs 1.0

(Traducido de The Higgs FAQ 1.0 por Matt Strassler)

He aquí la primera versión del FAQ de Higgs. Estoy seguro de que añadiré cosas y prometo que, a lo largo del tiempo, clarificaré algunas de las partes más oscuras añadiendo nuevas páginas. Lo siento, es demasiado para un sólo día.

Por favor, sentíos libres de hacer comentarios sobre lo que veaís poco claro o ambiguo de lo que diga. Emplearé vuestras cuestiones para mejorar mis respuestas (esto vale, por supuesto, para mis otras páginas pedagógicas).

Allá vamos …

• ¿Qué es la partícula de Higgs?

¿Sabes lo que es una partícula?

• En realidad, no.

¿Sabes lo que es un campo?

• Tampoco.

Bueno, recapitulemos.

• Vale, ¿qué es un campo?

Un campo es algo que:

1. Está presente en todas las partes del espacio y el tiempo.
2. Puese ser en promedio cero o no cero, y
3. Puede contener ondas.
4. Y cuando se trata de un campo cuántico, sus ondas están hechas de partículas.

Así, por ejemplo, un campo eléctrico es una parte de la naturaleza que se encuentra en todas partes. En un determinado punto en el espacio y en un momento determinado del tiempo puede medirse. Si en promedio, en una región su valor es distinto de cero, el campo puede tener efectos físicos tales como hacer que se erice el cabello o provocar una chispa. El campo eléctrico puede tener ondas entre las que están la luz visible, los rayos X y las ondas de radio.

• Muy bien, entonces ¿qué es una partícula?

La ondas de un campo cuántico no pueden tener cualquier intensidad. La onda de menor intensidad posible que puede existir en un determinado campo se denomina partícula y, con frecuencia, se comporta, de forma aproximada a la noción intuitiva de lo que es una «partícula» esto es, moviéndose en línea recta y rebotando contra las cosas. Esta es la razón por la que se le da el nombre de partícula.

En el caso del campo eléctrico, las partículas se denominan «fotones» y representan el flash más tenue que puede producirse. Tus ojos absorben los fotones de luz de uno en uno (aunque, normalmente, esperan la llegada de varios fotones antes de enviar una señal a tu cerebro). Un láser produce ondas muy intensas pero si apantallas el laser con una pantalla de forma que sólo la atraviese una pequeña fracción de la luz encontrarás que la luz atraviesa la pantalla en pequeños pulsos (fotones individuales) todos ellos de la misma intensidad.

• Parece que lo voy captando. Entonces, la partícula de Higgs es la onda más pequeña posible de Higgs y una onda de Higgs es una ondulación en el campo de Higgs.

Correcto. Siento esta versión demasiado corta de la historia. Intentaré proporcionar un tratamiento más detallado y pedagógico de las partículas y campos con dibujos y analogías y osos bailarines más adelante.

• ¿Por qué los físicos de partículas se preocupan tanto de la partícula de Higgs?

En realidad no se preocupan de la partícula. Lo que en realidad les preocupa es el campo de Higgs porque es muy importante.

• ¿Por qué es tan importante el campo de Higgs?

El campo de Higgs tiene un valor promedio distinto de cero y, debido a esto, muchas partículas, incluyendo al electrón, los quarks y las partículas W y Z de la interacción débil tienen masa. Si el valor promedio del campo de Higgs fuera cero, esas partículas no tendrían masa o si la tuvieran sería muy pequeña. Eso sería un desastre, los átomos y los núcleos atómicos se desintegrarían. Si el campo de Higgs no tuviera un valor promedio distinto de cero, nada, ni los humanos, ni la tierra podría existir. Nuestras vidas dependen de ese campo.

• ¿Qué sabemos del campo de Higgs?

Casi nada. Sólo que está ahí y que tiene un valor distinto de cero. Tenemos alguna información de cómo interactúa con la materia pero no mucha.

• Entonces, si el campo de Higgs es tan importante ¿por qué hay tanto alboroto en relación con el descubrimiento de la partícula de Higgs?

Por otra parte, encontrar la partícula de Higgs (o cualquier cosa que tome su lugar, véase abajo) es la forma más fácil (y quizás única) que tienen los físicos de aprender sobre el campo de Higgs que es lo que realmente queremos. En este sentido, encontrar la partícula de Higgs puede ser el primer paso hacia el objetivo principal: entender las propiedades del campo de Higgs y por qué tiene un valor promedio distinto de cero.

Por otra parte, los medios modernos insisten en generar mucho revuelo. Dado que la explicación del campo de Higgs y su papel y su relación con la partícula de Higgs ocupa demasiado espacio en una noticia o entreevista normal, los periodistas y la gente que les habla normalmente acortan las noticias. La partícula de Higgs obtiene toda la atención mientras que el campo de Higgs se queda en la obscuridad protegiendo al universo de la catástrofe pero no obteniendo nada del crédito merecido.

• ¿Están los físicos seguros de que existe el campo de Higgs?

Sí, aunque debo añadir comentarios a ese «sí». Estamos seguros, por los resultados de muchos experimentos y su interpretación a través de ecuaciones matemáticas, de que existe algún campo que tiene un valor promedio distinto de cero y que hace que el electrón, las partículas W y Z ymuchas otras partículas tengan masa y, de esta forma, permitir que existan nuestro mundo y nuestras vidas. La evidencia es más que aplastante. A este campo lo denominamos «campo de Higgs» fundamentalmente por definición.

Sin embargo, hay muchas cosas que no conocemos. Por ejemplo:

1. Podría haber un único campo de Higgs o podría haber varios cada uno de ellos con su propia partícula (todas conocidas colectivamente como «partículas de Higgs»).
2. O, el campo de Higgs podría ser, de hecho, una aglomeración o «composición» de varios campos de distinto tipo. Tenemos ejemplos en la naturaleza de cosas simiilares. Por ejemplo, al igual que un protón es un objeto compuesto de quarks, antiquarks y gluones, el campo del proton es un campo compuesto de campos de quark, campos antiquark y campos de gluones. No sabemos si el campo de Higgs es un campo elemental como el campo del electrón o un campo compuesto de más campos elementales como el campo del protón.

La única forma de conocer cuántos campos de Higgs hay, si son elementales o no y cómo intaractúan con las partículas que conocemos y quizás otras que no conocemos aún es ejecutar un experimento: el Gran Colisionador de Hadrones o LHC.

• ¿Qué significa elemental?

Lo siento, esta respuesta es circular, significa no compuesto. No puede ser dividido en porciones elementales. O más precisamente, no puede ser dividido en partes usando la tecnología que tenemos hoy. Antes se creía que los protones eran elementales, incluso antes se pensaba que los átomos eran elementales (de ahí lo de «Tabla Períodica de los Elementos»).

• ¿Están los físicos seguros de que exista una partícula de Higgs?

En ningún caso. ¡No te asustes!, sigue leyendo:

Estamos seguros de que:

1. Hay, al menos, un tipo de partícula de Higgs y que la (o las) encontraremos en el LHC o bien de que:
2. Las partículas de Higgs desaparecen tan rápido que no podemos identificarlas pero sólo porque están fuertemente afectadas por nuevas partículas y fuerzas que seremos capaces de descubrir en el LHC. En otro momento explicaré exactamente cómo las nuevas partículas y fuerzas pueden hacer la particula de Higgs no observable y por qué las partículas que conocemos hasta ahora no lo pueden hacer.

En cualquiera de ambas alternativos, aprenderemos algo que queremos conocer:  ¿Cómo funciona el campo de Higgs?. El LHC fue diseñado para responder con absoluta certeza a esa cuestión.

Por lo tanto, podría no haber una partícula de Higgs pero esto no está mal: somos capaces de usar el LHC para lograr el objetivo real que es entender el campo de Higgs. Dicho esto, el hacerlo podría ser bastante fácil y comenzar a pasar este año o podría ser muy difícil y llevarnos hasta una década en el peor de los casos.

• Pero la prensa, e incluso muchos físicos, dicen explícitamente que el LHC se construyó para encontrar la partícula de Higgs. ¿Qué está pasando?

Bien, ¿qué puedo decir?. Son mentiras piadosas y desafortunadas. La frase correcta es que el LHC se construyó para determinar qué es (son) el campo (los campos) de Higgs, como funciona(n) y si se trata de campo(s) elemental(es) o compuesto(s). La búsqueda de las partículas de Higgs o de cualquier cosa que tome su lugar es la forma de hacerlo y no encontrar la partícula de Higgs no significa que la gesta haya fracasado, sólo implica que tenemos que encontrar las partículas y las fuerzas que hacen posible que la partícula de Higgs esté ausente. ¡No confundamos medios con fines! Entender el campo es el objetivo final. Encontrar y estudiar la partícula es el medio y otros medios lo harían igualmente bien en el LHC si la ausencia de la partícula nos obliga a emplearlos.

• He leído que la partícula de Higgs se encontrará o quedará excluida en los próximos uno o dos años. ¿Es eso cierto?

No, tal y como está expresado. Lo que es ciento es que la partícula de Higgs del Modelo Estándar, la partícula del campo de Higgs más simple posible y que implica a uno y sólo un campo elemental añadido a los otros tipos de campos que concocemos, se encontrará o descartará este año (2011) o el siguiente, excluyendo problemas con el LHC. (Ya se ha excluido un tercio del posible rango de masas para el modelo estándar de la partícula de Higgs usando los conjuntos de datos del LHC de la primera mitad de 2011).

Pero, si la partícula de Higgs del Modelo Estándar no se encuentra, sólo significa que el campo de Higgs más simple posible no es lo que nos da la naturaleza. Podría ocuparnos varios años el encontrar el por qué o no encontrarlo nunca. Podría ser que:

1. No exista la partícula de Higgs (pero en este caso sabemos que hay otras nuevas partículas a descubrir y fuerzas que son responsables).
2. Haya varias partículas de Higgs (en cuyo caso, normalmente sería más difícil su producción y nos llevaría más el encontrarlas que la partícula de Higgs del modelo estándar)
3. Sólo hay una partícula de Higgs del modelo estándar pero es más difícil de encontrar que lo esperado debido a la existencia de partículas y fuerzas previamente desconocidas que hacen que se comporte de forma inesperada.

En cualquiera de estos casos, el mundo es un lugar más rico que si se encuentra la partícula de Higgs del Modelo Estándar. Por lo tanto, no te desesperes si no encontramos la partícula de Higgs del Modelo Estándar. Yo no me desesperaré, estaré excitado porque significa que en la naturaleza hay algo más que un campo nuevo simple y una simple partícula. Llevará más tiempo pero el LHC será capaz de llegar al final (o al menos avanzar bastante).

• ¿Estás totalmente seguro de que existe un campo de Higgs en la naturaleza?

Sí. No suelo decir absolutamente sí muy amenudo pero en este caso sí estoy absolutamente seguro. Si intentamos quitar el campo de Higgs de las matemáticas manteniendo las partículas W y Z y las otras partículas pesadas (tales como el quark top) que ya hemos descubierto y sabemos que están presentes en la naturaleza encontraríamos que las matemáticas del Modelo Estándar no tienen sentido. Obtendríamos una teoría que predice que ciertos procesos (incluyendo aquellos que el LHC puede estudiar) tienen lugar con una probabilidad mayor de uno. Lo siento, no puede pasar, no tiene sentido lógico. La probabilidad de algo no puede ser mayor de uno o menor que cero.

Te sorprendería lo difícil que es escribir teorías con sentido lógico. Muchas teorías que se pueden imaginar predicen probabilidades negativas o probabilidades mayor que uno. Sólo unas pocas tienen sentido.

Para hacer que la teoría del Modelo Estándar funcione, se debe añadir un campo de Higgs o algo como eso a los campos que hemos descubierto experimentalmente. Pero existen muchas posibilidades de hacerlo y la forma de determinar cuál es la correcta es ejecutando experimentos y esto tiene un nombre: LHC.

• ¿Por qué la partícula de Higgs se llama, con frecuencia, el bosón de Higgs?

Todas las partículas de la naturaleza, tanto las elementales como no, pueden dividirse en dos clases: fermiones y bosones. (Existen algunas excepciones extrañas dentro de determinados materiales sólidos. Esto lo cuento para evitar que me tiren un ladrillo a la cabeza alguno de mis colegas). Lo que ocurre es que la partícula de Higgs es un bosón. Pero esto no es realmente relevante  para lo que hace o con respecto a las razones para buscarla. El entender la distinción entre ferminones y bosones es un tema off-topic. Añadiré algunas palabras sobre esto posteriormente y en una página diferente.

• ¿Por qué se le llama la «Partícula de Dios»?

Porque la prensa piensa que suena bien y hace que los lectores se acerquen a sus artículos. El origen del apodo no tiene nada que ver con la religión ni con la ciencia, se inventó como un anuncio publicitario. El profesor y premio Nobel, Leon Lederman, un físico experimental muy importante y que merece un crédito enorme por sus contribuciones al campo, merece algunos deméritos por permitir que a su libro sobre la partícula de Higgs se le pusiera ese título para atraer la atención que es algo entre inapropiado y blasfemo dependiendo de tu origen. Cuando escuché por primera vez ese apodo en una charla que dio cuando estaba en la facultad me quedé boquiabierto. Sabía bastante de física para darme cuenta de lo absurdo que era el nombre.

Nunca he oido ni visto a un físico el referirse de esta forma a la partícula de Higgs en el contexto de un artículo científico, una charla en una conferencia o incluso en una discusión científica informal. No hay nada en las ecuaciones matemáticas, en la interpretación de la física, en cualquier filosofía que conozca o en cualquier texto o tradición religiosa con la que esté familiarizado que conecte la partícula de Higgso el campo de Higgs con cualquier noción de religión o divinidad. El apodo es una pura invención.

Personalmente creo que no es saludable ni para la ciencia ni para la religión el andar plegándose a las necesidades de la industria de las publicaciones para vender libros o a la prensa para vender sus historias. Cuanto antes descartemos esta opción mejor.