Alberto Casas - El bosón de Higgs

Alberto Casas es doctor en Física Teórica y profesor de investigación del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM). Sus áreas de investigación son la física de partículas elementales y la cosmología y ha publicado más de 80 artículos científicos en revistas internacionales. Ha trabajado durante años en las Universidades de Oxford y California, en el CERN de Ginebra, donde está instalado el LHC y se ha descubierto el bosón de Higgs, y, en estancias más breves, en centros e instituciones de todo el mundo. Del mismo autor se han publicado en esta colección El LHC y la frontera de la física y El lado oscuro del universo.

Teresa Rodrigo es catedrática de Física de la Universidad de Cantabria e investigadora del Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC). Su área de investigación es la física experimental de partículas, ha participado en experimentos científicos del CERN de Ginebra y de FERMILAB (Fermi National Accelerator Laboratory) de Chicago y ha colaborado en los descubrimientos del quark top y del bosón de Higgs. En la actualidad preside el Consejo de Colaboración del proyecto CMS, uno de los dos experimentos del LHC donde se ha descubierto el bosón de Higgs.

El misterio de la masa

El descubrimiento del bosón de Higgs revela secretos íntimos de la naturaleza que tienen que ver con hechos muy básicos, tan básicos que a menudo ni siquiera pensamos sobre ellos. Uno de ellos es la existencia del vacío. ¿De qué está «hecho» el vacío? ¿Tiene alguna estructura? Otro es la existencia de las fuerzas electromagnéticas y fuerzas de otro tipo. ¿Por qué están ahí y son como son? Pero, sobre todo, el bosón de Higgs arroja luz fundamental sobre el concepto de masa. Que las cosas tengan masa y pesen es algo tan cotidiano que se suele tomar como un hecho que simplemente «ocurre así», sin buscarle más explicación. Sin embargo, la masa es uno de los conceptos más fundamentales de la naturaleza y, cuando se profundiza en él, se descubren sutilezas sorprendentes, que han tardado siglos en ser reconocidas. En este capítulo vamos a viajar por algunos de los momentos estelares en que se comprendieron aspectos básicos sobre la masa, y que han culminado con el descubrimiento del bosón de Higgs.

Newton

En las primeras páginas de los Principia de Newton (1687), uno de los tratados científicos más influyentes de la historia, se da una definición preliminar de masa, que aún figura en muchos libros de texto: la masa de un cuerpo es la cantidad de materia que contiene. Esta definición tiene la ventaja de que es intuitiva y captura algunos de los elementos esenciales del concepto. La masa no depende de la forma del cuerpo: si estrujamos una lámina de aluminio doméstico, su masa será la misma, ya que no hemos modificado su cantidad de materia. La masa es aditiva: si envolvemos una piedra con esa lámina de aluminio, la masa del conjunto será la suma de las masas de la piedra y la lámina por separado. La masa de un objeto es, por tanto, la suma de las masas de las partículas que lo componen. Por ejemplo, la masa de la lámina de aluminio será la suma de las masas de los átomos de aluminio que la forman. Todo esto es (aproximadamente) cierto. Pero seguimos sin entender qué es la masa. No sabemos por qué los átomos individuales (o las partículas que los forman) tienen la masa que tienen. Además, todas las propiedades anteriores son también ciertas para otras cantidades aditivas, por ejemplo, la carga eléctrica de un objeto o el número de neutrones que contiene. Entonces, ¿qué es lo peculiar y distintivo de la masa?

Desde la Antigüedad, las personas han tenido una idea intuitiva del significado de la masa de los objetos. Por ejemplo, en el antiguo Egipto ya se usaban balanzas con usos comerciales. Esa idea intuitiva ha estado fuertemente asociada al peso de los objetos, es decir, a la fuerza con que son arrastrados hacia abajo y que percibimos, por ejemplo, cuando los sostenemos en la mano. Pero, a pesar de las apariencias iniciales, el peso de un cuerpo no es una propiedad intrínseca del mismo. Si llevamos una bola de hierro a la Luna, su peso será seis veces menor, ya que la atracción gravitatoria disminuye en esa proporción. De hecho, sin necesidad de salir de nuestro planeta, el peso de los cuerpos varía ligeramente con la altitud y otras características geográficas (algo que no pudieron medir nuestros más antiguos antepasados). Sin embargo, la masa de la bola de hierro seguirá siendo la misma en la Tierra, en la Luna o en cualquier otro lugar.

En la era moderna, el concepto de masa fue conformándose poco a poco gracias al trabajo de grandes científicos, como Kepler y Galileo. Pero fue Isaac Newton, en la segunda mitad del siglo XVII, el primero en estudiar la masa de forma sistemática y en definirla (además de la descripción cualitativa anterior). Newton se aproximó a la cuestión de formas diversas, pero posiblemente la idea más novedosa fue ligar el concepto de masa a la resistencia que opone un objeto a ser acelerado por una fuerza. El efecto de una fuerza sobre un objeto (por ejemplo, la que ejerce un muelle comprimido mientras se destensa) es acelerarlo, y la aceleración producida no depende de dónde realicemos el experimento. La bola de hierro anterior responderá al empuje del muelle de la misma forma en la Tierra o en la Luna. Tal como postuló Newton, la aceleración producida por una fuerza es inversamente proporcional a la masa del objeto sobre el que se aplica: si la masa del objeto es el doble, la aceleración producida será la mitad. De esta forma, tomando la masa de un objeto fijo como unidad (es decir, un kilo), podemos determinar la masa en kilos de cualquier otro objeto, simplemente comparando las aceleraciones con que ambos responden a una misma fuerza. Esto es lo que se llama a veces la masa inercial de un objeto. Y se trata de un concepto genial, ya que en la época de Newton era imposible realizar estos experimentos aislando los objetos de las fuerzas de fricción que sufren continuamente, y que enmascaran estas propiedades. Y, por supuesto, era imposible realizar los experimentos lejos de la superficie terrestre. Llegar a estos resultados exigió un esfuerzo de abstracción extraordinario. Pero este no es el fin de la historia.

Sigamos un poco más con Newton. El concepto de masa anterior tiene la ventaja de que es independiente del concepto de peso. Pero, por otro lado, es evidente que los cuerpos con mayor masa tienen también mayor peso. El propio Newton dio un paso de gigante en la comprensión de la fuerza gravitatoria al enunciar su famosa Ley de la Gravitación Universal. Según ella, dos cuerpos cualesquiera, por el mero hecho de estar ahí, se atraen con una fuerza proporcional a las masas de cada uno de ellos, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Newton intuyó genialmente que esta ley se cumplía siempre y en todo lugar y era la responsable, no solo del movimiento de los planetas (un misterio que había intrigado a los pensadores durante milenios), sino de la rotación de la Luna en torno a la Tierra y de la caída ordinaria de objetos. Newton descubrió que todos estos fenómenos tenían el mismo origen. Su ley permite entender también por qué todos los cuerpos caen con la misma aceleración, independientemente de su masa, algo que ya había sido anticipado por Galileo. Como la fuerza de atracción (es decir, el peso) es proporcional a la masa, pero la aceleración producida es inversamente proporcional a ella, ambos efectos se cancelan y todos los cuerpos experimentan exactamente la misma aceleración, sean pesados o ligeros. Que el peso sea proporcional a la masa es la razón por la que en el lenguaje corriente mezclamos continuamente ambos conceptos; hablamos indistintamente de 3 kg de patatas sin aclarar si nos referimos a su peso o a su masa. Si viajáramos de planeta en planeta con la facilidad de los héroes de