El Higgs “la partícula de Dios”

El aire es un gas cuyas moléculas se mueven erráticamente obedeciendo la distribución de Maxwell Boltzman. Cuando el ala de un avión pasa a través de este gas, sus moléculas golpean el ala. Entre mayor sea la velocidad relativa de las moléculas respecto al ala menor es la presión que hace el gas al ala. La diferencia de curvaturas en el ala, inferior – superior, genera entonces una diferencia de presión que se convierte en una fuerza de sustentación, la cual, al ser mayor que el peso del avión hace quien este pueda volar. De aquí se desprende el concepto de viscosidad del aire como un efecto colectivo de moléculas moviéndose y entrelazándose generado fuerzas de fricción y de sustentación.

Entre mayor sea la temperatura del gas mayor seria la agitación térmica del aire y mayor el golpeteo de las moléculas del aire sobre el ala del avión. Por ejemplo en Barranquilla el efecto aerodinámico es mayor que en Bogotá. Podemos asociar con la temperatura la capacidad que tiene el aire de generar mayor o menor fuerza de sustentación.

El Higgs “la partícula de Dios” la podemos pensar como el equivalente de este gas, pero es un efecto puramente cuántico. Se crean y se aniquilan formando pares de partículas los cuales interactúan con las partículas ordinarias, la materia, y este efecto de interacción hace que estas se doten de masa. Dependiendo de la forma de interacción que hace las partículas adquieran mayor o menor masa, la cual está asociada a los efectos gravitacionales y los efectos inerciales, es decir, la capacidad de atraerse o resistirse a experimentar fuerzas.

Los neutrinos interactúan débilmente con los Higgs y su masa es prácticamente nula. En tanto que el electrón interactúa más fuertemente con el Higgs y su masa es mayor. Es decir, que la magnitud de la masa de la partícula nos está indicando que tan fuerte es el efecto de interacción con el Higgs.

Curiosamente este Higgs aparece en el universo cuando éste se expande y comienza el proceso de enfriamiento generándose una transición de fase, similar a la transición del agua del estado liquido al gaseoso. En dicha transición de fase se genera una interacción entre campos,  la cual produce el Higgs con una masa. Dicha partícula automáticamente comienza a interactuar con la materia.

Antes todas las partículas tenían energía y viajaban a la velocidad de la luz. Después de la transición las partículas interactúan con el Higgs y adquieren masa y dejan de viajar a la velocidad de la luz. Además las nuevas partículas masivas comienzan a generar atracción gravitacional. Con el enfriamiento del universo y la atracción gravitacional sumado millones y millones de años se forman las galaxias y estrellas ente otros. Podríamos hacer un símil con la viscosidad del aire y el campo cuántico asociado al Higgs el cual genera una “viscosidad” que termina dotando de masa a las partículas. La única que no adquirió masa fue el fotón, los rayos de luz, por esto pueden ir hasta el confín del universo.

El Universo es una sopa de cosas que se mueven a la velocidad de la luz, pero este se está expandiendo y se está enfriando. Una de estas cosas que identificamos como una partícula escalar, el Higgs, obedece una ecuación y tiene un potencial de interacción con dos parámetros que dependen de la temperatura del universo y se llaman mu (µ) y lambda (λ). En el universo temperado dichos parámetros son positivos; pero cuando este se enfría ocurre una transición de fase y uno de ellos cambia de signo, µ. Justo en ese momento en la ecuación de movimiento del Higgs, llamada ecuación de Klein Gordon aparece una masa y decimos el Higgs se hizo masivo. Además todas las partículas que interactúan con el higgs también les aparecerá una masa. Pasamos de un universo lleno de energía y partículas moviéndose a la velocidad de la luz, a un universo de partículas relativistas y masivas. Se comienzan a formar los cristales, es decir, el agua deja de ser liquida.

De donde sale la masa del Higgs?

Aparece de la auto interacción del Higgs consigo mismo, después de la transición de fase. Antes de la transición de fase el Higgs interactúa consigo mismo pero los parámetros de la interacción no son adecuados para que se genere la masa del Higgs. Después de la transición los parámetros de la auto interacción cambian y aparece la masa del Higgs.

Por ejemplo en la transición del agua de la fase liquida a la solida, podemos cambiar el punto de congelamiento poniendo sal. Existen unos parámetros termodinámicos que dependen de la temperatura y estos van cambiando y justo a cierto valor se genera la transición.

Similarmente con el Higgs, tiene un potencial de auto interacción, llamado lambda phi 4, cuyos parámetros cambian con la temperatura del Universo y justo en la transición de fase uno de ellos cambia de signo apareciendo una masa en la ecuación de Klein Gordon para los campos escalares o del Higgs

Los metales tienen un gas de electrones los cuales obedecen una estadística llamada la de Fermi Dirac. Cuando se comienzan a enfriar los electrones, los efectos de la red, los fonones o vibraciones mecánicas de la red, comienzan a correlacionarlos formando pares ligados de dos electrones. Justo cuando comienza este proceso la resistencia eléctrica comienza a disminuir y los electrones pueden pasar cuasi libres a través del metal como si no existiera resistencia eléctrica, como si se movieran libremente.

Justo cuando hay suficiente número de electrones apareados en estados ligados, se forman lo que se conoce como pares de Cooper. El estado base del metal superconductor después de la transición de fase está formado por pares de Cooper. Estos pares son campos escalares que obedecen la estadística de Bose Einstein, pero es un estado ligado, compuesto, formado por dos electrones correlacionados con espín total igual a cero. Los electrones libres en el metal pasan por los lados de los pares de Cooper sin interactuar con ellos y por están razón se comportan como libres formándose el estado superconductor.

Cuando tratamos que un campo magnético penetre el metal se inducen corrientes muy grandes impidiendo que los campos lo penetren. Podemos decir que los campos dentro del metal decaen muy rápidamente. En las ecuaciones de Maxwell aparece un término que se puede interpretar como si el campo magnético tuviera una masa efectiva produciendo este rápido decaimiento de los campos electromagnéticos en la fase superconductora. El par de Cooper en la fase superconductora se podría interpretar como si fuera un Higgs. Dota de masa al fotón en el medio material. La diferencia con el Higgs que da masa a las partículas después de la transición de fase, es que el par de Cooper es compuesto, formado de dos electrones. El Higgs como se plantea en el Modelo Estándar de las interacciones electro-débiles es una partícula puntual. Solo los experimentos de precisión que deberían venir del LHC nos indicaran si efectivamente el Higgs es una partícula elemental o es una partícula compuesta. En el segundo caso se abrirían nuevas fronteras para la física de partículas inimaginables.

Se podría afirmar que en la superconductividad hay una partícula que juega un papel similar al Higgs del Modelo Estándar. Justo de estos trabajos del estado sólido el físico Higgs planteo la partícula Higgs. Cuando ocurre la transición de fase decimos que ocurrió un rompimiento espontaneo de la simetría. Es decir el Universo pasa de una fase donde todo se mueve con masa nula a otra fase donde las partículas se hacen masivas. Las partículas pasan de moverse a la velocidad de la luz a una velocidad menor que la luz dependiendo de su masa o de la forma como interactúa con el Higgs.

Este fenómeno del rompimiento de la simetría hace que los campos mensajeros de la interacción débil se hagan masivos. En cambio el fotón, mensajero de la electrodinámica, no adquieran masa. Es decir el Higgs interactúa con los campos de la interacción débil, pero no con el fotón. El fotón puede pasar libremente a través del Higgs y alcanzar los confines del Universo trayendo la luz de las estrellas y de las supernovas que explotaron millones de años atrás. En cambio los campos mensajeros de la interacción débil interactúan fuertemente con el Higgs y no puede viajar una distancia mayor que la del núcleo atómico del hidrogeno. Solo sirve para viajar una distancia pequeña y decirle a un quark vecino, dentro del protón o neutrón, que él lleva una interacción pidiéndole al quark up que se transforme en Down.

Cuando las partículas tratan de viajar por el universo se encontrar con el Higgs adquiriendo automáticamente masa, inercia, resistencia a las fuerzas. En este sentido podríamos hacer el símil con la aerodinámica donde el aire genera la viscosidad que induce la resistencia para que los cuerpos se muevan libremente a través del fluido. Solo es un símil porque la aerodinámica hace referencia a un fenómeno de transporte de moléculas y es una teoría clásica, en cambio el Higgs es un campo cuántico.

Porque es tan importante el descubrimiento del Higgs?

Hay varias razones para ver su importancia. El modelo estándar de las interacciones electro-débiles explica muy bien estas fuerzas a nivel cuántico y además ha tenido muchos aciertos en sus predicciones. Por ejemplo el descubrimiento del quark charm el cual se postulo para entender las corrientes neutras débiles. El descubrimiento del quark top el cual se postulo para completar el doblete de quarks entre el quark bottom y el quark top el cual era necesario para que la teoría tuviera la estructura matemática correcta, es decir, libre de anomalías. El descubrimiento de las partículas Z, W+ y W las cuales son las equivalentes al fotón pero para la interacción débil. Recientemente, la medición de la violación de la simetría CP en sistema de mesones formados por un quark bottom y otro con un quark down o un quark extraño. El descubrimiento de que los neutrinos tienen una masa muy pequeña, pero no idénticamente igual a cero.

En todo este concierto de predicciones teóricas y descubrimientos experimentales faltaba el Higgs, el cual se introduce en la teoría para explicar cómo las partículas adquieren masa. Sin el Higgs, la teoría que fue capaz de predecir muchos fenómenos que fueron corroborados, nadie se esperaría que el mecanismo necesario para que el modelo fuera satisfactorio se quedara sin piso. Descubierto el Higgs se da piso a la teoría y queda explicado el origen de la masa.

Pero el Higgs se puede relacionar con otro fenómeno muy importante que proviene de la cosmología. De las observaciones de la dinámica estelar, en particular estrellas girando alrededor de las galaxias, se ve que hay estrellas que se mueven mucho más rápido que la predicción que se puede hacer con la teoría de la gravitación de Newton. Al parecer debe haber mucho más materia en las galaxias para poder entender estas velocidades. A dicha materia se le llama materia oscura porque no se puede ver pero está produciendo un fenómeno gravitacional, es decir, materia con masa pero sin carga electromagnética. También se ha observado galaxias acercándose por efecto gravitacional, pero al tener en cuenta la masa total de ellas, las predicciones no concuerdan con la teoría de gravitación de Newton.  De nuevo se tiene que postular la existencia de materia oscura en el Universo. También existe un fenómeno conocido como lente gravitacional que hace que los rayos de luz que provienen de galaxias muy lejanas se curven y este solo se puede explicar con la existencia de materia oscura.

Se tiene un estimado de la materia contenida en las galaxias del universo. Se podría decir que este contenido equivale al 5% de la materia del Universo. Se dice que un 20% es de materia oscura, es decir, hay mas materia en el Universo que la que observamos contando todas las galaxias, cúmulos, estrellas etc. Solo somos capaces de dar cuenta del 5% de la materia por observación directa del Universo.

Por otra parte se dice que el Universo tiene más energía de la que habíamos pensado. Con las observaciones recientes del satélite Hubble se han observado estrellas muchos más lejanas y distancias nunca antes imaginadas. Dichas estrellas lejanas se alejan tan rápido y aceleradamente, que con las teorías de Einstein de la gravitación, para poder explicar este fenómeno necesitamos un 75% más de energía. A ésta se le llama energía oscura.

La única partícula que podría ser candidato a materia oscura seria una partícula que tuviera características similares al boson de Higgs descubierto recientemente en el CERN. Por esto se abriría un nuevo campo de investigación en la física relacionado con la cosmología. Hasta la fecha no se había observado un boson o partícula escalar con las características de un Higgs, campo escalar de espín cero y carga eléctrica nula. Una vez que se descubre el Higgs se abre la posibilidad de más Higgses en la naturaleza que tengan las características para ser candidatos a materia oscura.

Entonces estamos en la antesala para entender el origen del Universo y como funciona. Apenas seria el comienzo de una nueva era de investigación.

Editor: Roberto Martínez

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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