Significado de bosón de Higgs Definición, ejemplos, e importancia
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Definición formal
El bosón de Higgs es una partícula elemental responsable por la creación de la masa, cuya existencia fue predicha en los años 60 del siglo XX por el físico británico Peter Higgs (1929-presente), a través de sus teorías acerca de la masa (una de las propiedades fundamentales de la materia, junto con la carga eléctrica).
La confirmación de la existencia de esta partícula llegó en 2012, cuando el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) anunció que una partícula con las características del bosón de Higgs había sido detectada experimentalmente. Los físicos habían estado buscándola desde hacía años.
Gracias a este descubrimiento, Peter Higgs (1929-presente) y François Englert (1932-presente) recibieron el premio Nobel de física en 2013. El tercer descubridor independiente, el físico Robert Brout (1928-2011) ya había fallecido para entonces.
Al bosón de Higgs se le conoce también como “la partícula de Dios”, un nombre que deriva de una obra del también ganador del premio Nobel de física: Leon Lederman (1922-2018).
Sucede que Lederman, quien había estado buscando infructuosamente al bosón durante años, y era un gran bromista, se había referido a la partícula en una obra suya como: “the goddamn particle”, que en inglés significa “maldita partícula”, por lo elusiva que era.
Sin embargo, el editor de Lederman lo cambió a “the God particle”, que quiere decir “la partícula de Dios”, pensando que así el libro se vendería mejor. La prensa se hizo eco del nombre y, aunque el bosón de Higgs no tiene connotación religiosa, desde entonces se lo conoce popularmente así. Más adelante se verá que el apelativo no resulta tan inadecuado después de todo.
Pero, ¿qué es un bosón?
El modelo estándar de partículas es una teoría física que explica a las partículas elementales que conforman la materia, y las clasifica de varias maneras. Los protones, los neutrones y los electrones son las partículas más conocidas, pero no son las únicas que existen, ya que los físicos, con el tiempo, han descubierto una miríada de ellas.
Una de las clasificaciones que usa el modelo estándar se basa en el principio de exclusión de Wolfgang Pauli: si una partícula cumple este principio, es un fermión y si no lo hace, entonces es un bosón.
Ambas denominaciones para las partículas se crearon en honor a los físicos Enrico Fermi (1901-1954) y Satyendra Bose (1894-1977) respectivamente, por sus extensos y notables aportes en este campo.
El principio de exclusión señala que en el átomo no hay dos partículas con el mismo estado cuántico, lo que equivale a afirmar que no pueden tener el mismo conjunto de números cuánticos. El electrón se apega a este principio y por lo tanto es un fermión.
En cambio, los bosones no lo hacen, y por ello pueden acumularse sin problemas en un mismo estado cuántico, ocupando apenas espacio. Por ejemplo, pueden estar todos en el estado fundamental, que es el de menor energía entre todos, formando un condensado, como se muestra en la figura.
Bosones y fermiones se diferencian en el espín, una propiedad cuántica que consiste en una especie de giro interno, propio de la partícula. El espín se expresa mediante un número cuántico, que el caso de los fermiones es semi-entero y en el de los bosones es entero. Esta diferencia hace que ambos tipos de partícula se comporten de una forma totalmente diferente.
Cuando bosones y fermiones interactúan, se materializan las interacciones fundamentales: electromagnética, nuclear fuerte y débil e interacción gravitatoria.
Ejemplos de bosones
Además del Higgs, el bosón más conocido se puede ver a simple vista: es el fotón, la partícula portadora de la luz y demás radiación electromagnética, pero existen otros bosones, como los gluones que, junto a los neutrones, se encargan de mediar en la interacción nuclear fuerte, contribuyendo a la estabilidad del núcleo del átomo.
Si no fuera por ellos, la intensa repulsión eléctrica entre los protones no dejaría que se acumularan en el minúsculo núcleo atómico.
Y todavía hay más bosones que median en la interacción nuclear débil, otra fuerza que actúa en el núcleo. A estos bosones se les llama W+, W- y Z, todos observados experimentalmente. Curiosamente, estos bosones tienen masa, mientras que los gluones y los fotones no.
Importancia del bosón de Higgs
La denominación “partícula de Dios” que se le asigna no es tan descabellada, aunque Peter Higgs jamás ha estado de acuerdo con ella. Y es que al bosón se debe, ni más ni menos, la creación de la masa, brevísimos instantes después del big bang, el punto de partida de nuestro universo.
De no ser por el Higgs, el universo no tendría masa y sería un lugar muy diferente del que es actualmente. Además, su descubrimiento representa la aparición de un nuevo fenómeno físico llamado “ruptura espontánea de la simetría”, que representa precisamente el surgimiento de la masa, apenas a 10-22 segundos de ocurrido el big bang.
Para explicar la masa como una cualidad de la materia, Peter Higgs, Francois Englert y Robert Brout, idearon de manera independiente un mecanismo mediante el cual la energía pura que era el universo antes del big bang, se transformó en masa: el campo de Higgs.
Este campo se extiende por todo el espacio, y está formado por los bosones de Higgs, que no tienen inconveniente en estar en un mismo estado cuántico.
Existiría una especie de fricción en este campo, que daría lugar a la masa. Cuanto mayor sea esa fricción, más masa tiene la partícula creada.
Una analogía que describe muy bien este mecanismo de creación de masa se debe a un físico británico llamado David Miller. El ideó la siguiente descripción: el campo de Higgs estaría compuesto por las personas que llenan un gran salón de convenciones, por ejemplo, un grupo muy grande de físicos, que serían los bosones.
Si de repente entra al salón un físico muy famoso, como Einstein, todos se acercarán a él para conocerlo y hablarle, aglomerándose a su alrededor. Y a medida que Einstein se desplaza por el salón, todos lo hace con él, pero la velocidad de Einstein sería cada vez menor. Esto significa que su inercia sería mayor, y por lo tanto su masa.
En cambio, una persona desconocida podría atravesar el salón rápidamente sin gran dificultad, porque no interactuaría con el resto, tal como lo harían los fotones, incapaces de interactuar con el campo de Higgs.
Apariencia del bosón de Higgs
Es una partícula neutra y de espín cero, cuya naturaleza matemática difiere de los otros bosones, ya que al tener espín nulo se le considera un bosón escalar.
En cuanto a la masa, los físicos de partículas la expresan en los términos de una unidad de energía llamada electrón-volt, el cual comprende la energía que acarreada por un electrón a partir de la aceleración sobre la diferencia de potencial de 1 V. De acuerdo a la conocida ecuación de Einstein, E = mc2, la masa m y la energía E son equivalentes, siendo c la velocidad de la luz en el vacío.
Los experimentos concluyen que la masa del bosón de Higgs es de 125 GeV / c2, muy masivo en comparación a otros bosones con masa, que tienen entre 80 y 90 GeV / c2. Por ello el Higgs requiere de mucha energía para ser creado.
Normalmente las partículas se crean y se desintegran con mucha frecuencia. El bosón de Higgs se desintegra muy rápido y por ello fue muy difícil de detectar hasta una fecha reciente, tanto así, que tuvo que el CERN tuvo que construir el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), un enorme dispositivo experimental, para poder detectar finalmente al Higgs.
Trabajo publicado en: Jun., 2021.