EL BOSÓN DE HIGGS: la última partícula elemental
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ecientemente gran parte de los medios se ha hecho eco de un anuncio del posible y largamente demorado descubrimiento de una partícula elemental, el bosón de Higgs. De confirmarse que se trata, en efecto, del bosón de Higgs, será sin duda una de las fechas que se marcarán como hitos en la historia de la ciencia. Predicha en 1964 de forma casi simultánea e independiente en tres trabajos publicados en la revista americana Physical Review Letters, uno de ellos firmado por el físico británico Peter Higgs, ha sido objeto de una prolongada búsqueda en los laboratorios de altas energías a nivel mundial. El bosón de Higgs es presuntamente la última pieza que falta por encontrar del puzle que constituye la teoría moderna de partículas y sus interacciones, conocida como el Modelo Estándar. Este bosón forma parte del reducido club de partículas elementales -aquéllas que no están compuestas por otras más pequeñas- y, según lo que se ha acabado denominando el mecanismo de Higgs, sería la responsable de sus diferentes masas propias. El elenco de partículas elementales se divide en dos tipos: fermiones (espín semientero) y bosones (espín entero). El espín es una propiedad cuántica fundamental de todas las partículas. Los doce fermiones se agrupan en dos familias; seis leptones (de los cuales el electrón es el más conocido) y seis quarks (constituyentes por ejemplo de protones y neutrones) pudiendo considerarse los componentes de la materia.
Antonio Puente Ferrá Profesor Titular de Universidad Departamento de Física Universidad de las Islas Baleares
ésta también la fuerza que confiere sus propiedades a los diferentes elementos químicos gobernando sus transformaciones y reacciones tanto en procesos físico-químicos como biológicos. Premio Sakurai 2010 (APS). En la foto, cinco de los seis físicos que predijeron la existencia del bosón de Higgs en 1964.
A principios del siglo XX el descubrimiento de la estructura del átomo evidenció que debía existir al menos una fuerza más en la naturaleza que explicase por qué el núcleo atómico (formado por neutrones y protones) se mantenía unido. Ni la atracción gravitatoria entre ellos (demasiado débil), ni la repulsión electromagnética entre los protones con carga eléctrica positiva podía dar cuenta de ello.
El bosón de Higgs es presuntamente la última pieza que falta por encontrar del puzle que constituye la teoría moderna de partículas y sus interacciones, conocida como el Modelo Estándar Por su parte, los bosones de gauge o partículas de campo se asocian a las cuatro interacciones o fuerzas fundamentales conocidas. De éstas, la gravitatoria, cuyo origen es la masa/energía, es con mucho la más débil y también la más evidente, pues sus efectos son una constante en nuestra vida cotidiana. El bosón asociado al campo gravitatorio recibe el nombre de gravitón y su detección es, también desde hace tiempo, objeto de intensos esfuerzos experimentales. La fuerza electromagnética, cuyo origen es la carga eléctrica de las partículas, tiene como bosón de gauge el fotón, único bosón elemental observable directamente. La radiación electromagnética, de la cual la luz visible es sólo una pequeña parte, está compuesta de fotones de diferente energía. Sus efectos y aplicaciones juegan un papel esencial en nuestra vida; la radiación térmica, los rayos ultravioleta o las radiofrecuencias son algunos ejemplos. Es
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Se desarrollaron así los primeros modelos de una “fuerza nuclear” entre protones y neutrones -creídos elementales en aquel momento-, mucho más intensa que las dos anteriores y que permitía explicar la estabilidad de los diferentes núcleos atómicos. Los subsiguientes avances y el desarrollo tecnológico permitieron el descubrimiento de los procesos de fisión y otras reacciones nucleares. Hacia 1960 la cantidad de partículas diferentes observadas en experimentos de dispersión era enorme; parecía que hubiera un sinfín de partículas elementales similares a neutrones y protones, pero con diferentes masas y cargas eléctricas. Además, salvo el protón, todas ellas eran inestables decayendo de forma más o menos rápida en partículas más ligeras. Fue el físico estadounidense Murray Gell-Mann quien en 1964 propuso un primer esquema teórico (el modelo de quarks) para explicar esa gran cantidad de estados ob-
servados. Protones y neutrones, así como el resto de estados, dejaban de ser partículas elementales. En su lugar, todos ellos estaban formados por combinaciones de un número reducido de quarks caracterizados por una nueva propiedad, la carga de color, que constituye el origen de la interacción fuerte y a la cual se acoplan los bosones de gauge fuertes, llamados gluones. Protones y neutrones no tendrían carga neta de color y las fuerzas residuales entre sus quarks constituyentes serían las responsables de la, inicialmente creída fundamental, fuerza nuclear. La propuesta de Gell-Mann simplificó enormemente la interpretación de los resultados experimentales obtenidos hasta el momento, dando origen a la teoría moderna de partículas elementales y sus interacciones. Aunque mucho menos evidente que las otras dos, la interacción fuerte es la responsable de la existencia de materia estable, de la mayor parte de la masa de los núcleos atómicos o de la energía producida en las estrellas y en los reactores de fisión. Paralelamente, y en estrecha relación con los anteriores avances, surgió la necesidad de incluir una cuarta fuerza, la interacción débil -denominada así pues a bajas energías es algo menos intensa que la electromagnética-. Las tres fuerzas anteriores eran, de nuevo, incapaces por sí solas de explicar algunos de los procesos de desintegración observados experimentalmente, así como algunas radiaciones (rayos b) provenientes de determinados isótopos naturales. Los estados observados de vidas medias
más largas parecían decaer por medio de un mecanismo completamente diferente, que permitía cambios de sabor (tipo de quark) y que afectaba a todos los fermiones, tanto quarks como leptones. Tras proponerse algunos modelos, no fue hasta 1968 cuando los físicos Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg consiguieron formular una teoría consistente para la nueva interacción. Se predijo la existencia de tres nuevos bosones elementales (W+, W- y Z) cuyo intercambio por parte de las partículas podía explicar los procesos observados. A diferencia de las otras tres fuerzas, sin embargo, los nuevos bosones debían tener masa; unas cien veces más masivos que el protón. Desde el punto de vista de la teoría esto planteaba, sin embargo, un serio problema; todos los bosones en una teoría gauge (invariante bajo una transformación local arbitraria de campos) deben ser de masa nula, como el caso del fotón. Las invariancias, relacionadas con propiedades de simetría, hacen referencia a grados de libertad irrelevantes en la formulación matemática que están asociados, por ejemplo, a la libertad de elección de coordenadas o valores locales de los campos que no afectan a las predicciones finales del modelo. Si la nueva interacción debía ser invariante por transformaciones locales, tenía que existir algún otro ingrediente que pudiese explicar la aparente masa de los bosones débiles. La solución más simple al aparente dilema es lo que hoy conocemos como mecanismo de Higgs, según el cual se predice la existencia de otro bosón
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