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La teoría premiada
es una parte fundamental del Modelo Estándar de física de
partículas que describe cómo ha sido construido el mundo.
Según el modelo estándar, todo, desde las flores y las
personas, hasta las estrellas y los planetas, están formados
por unos pocos bloques fundamentales: las partículas
fundamentales. Estas partículas interaccionan mediante
fuerzas, mediadas mediante partículas de fuerza que aseguran
de que todo funciona como debiera.
Todo el modelo
estándar se basa en la existencia de un tipo especial de
partícula: la partícula de Higgs. Esta partícula está
conectada a un campo invisible que llena todo el espacio.
Aunque nuestro universo parece vacío, ese campo está presente.
Si no existiera los electrones y los quarks serían partículas
sin masa, igual que los fotones, las partículas de luz. Y como
los fotones viajarían, tal y como predice la teoría de
Einstein, a través del espacio a la velocidad de la luz, sin
ninguna posibilidad de quedar atrapados en los átomos o
moléculas. Nada de lo que conocemos, ni nosotros, existiría.
El Modelo Estándar
de partículas ha unificado las partículas fundamentales y tres
de de las cuatro fuerzas conocidas por nosotros (la cuarta, la
gravitación, queda fuera del modelo). Durante mucho tiempo fue
un enigma el cómo funcionan en realidad estas fuerzas. Por
ejemplo, cómo una pieza de metal que es atraída por el imán
sabe que el imán está ahí, un poco más lejos. Y ¿cómo se
transmite a la Luna la fuerza de gravedad ejercida por la
Tierra?
La explicación que
da la física es que el espacio está lleno de campos
invisibles. El campo gravitatorio, el campo electromagnético,
el campo de los quarks y otros, llenan el espacio, o mejor, el
espacio-tiempo tetradimensional, un espacio abstracto en el
que se desarrolla la teoría. El Modelo Estándar es una teoría
cuántica de campos en la cual los campos y las partículas
constituyen los componentes esenciales del universo.
En física cuántica
todo se concibe como vibraciones en campos cuánticos. Estas
vibraciones son transportadas a través de los campos mediante
pequeños paquetes, cuantos, que nosotros percibimos como
partículas. Existen dos clases de campos: campos de materia,
con partículas materiales, y campos de fuerza, con partículas
de fuerza – los mediadores de la fuerza- la partícula de Higgs,
también es una vibración de un campo, el campo de Higgs
Sin este campo el
Modelo Estándar se vendría abajo como un castillo de naipes,
porque la teoría cuántica de campos conduciría a infinitos que
deben ser evitados y a simetrías inobservables. Hasta que
François Englert, con Robert Brout, Peter Higos, y luego
otros, demostraron que el campo de Higgs puede romper la
simetría del modelo estándar sin destruir el propio modelo.
Y es que el Modelo
Estándar sólo funcionaría si las partículas no tuvieran masa.
Para la fuerza electromagnética, con sus fotones sin masa como
mediadores, no había ningún problema. La fuerza débil, sin
embargo, es mediada por tres partículas masivas; dos
partículas W con carga eléctrica y una partícula Z, que no
casan bien con el fotón. ¿Cómo se entiende, entonces, la
fuerza electrodébil, que unifica la fuerza electromagnética y
la débil? El modelo estándar estaba amenazado. Entonces,
Englert, Brout y Higgs entran en escena proponiendo un
ingenioso mecanismo mediante el cual las partículas adquieren
masa que salva el Modelo Estandar.
El campo de Higgs
no es como otros campos. Los otros campos son variables
adquiriendo el valor cero en su nivel más bajo de energía. El
campo de Higgs, no. Incluso en el espacio completamente vacío,
existiría un campo fantasmal que no se anula: el campo de
Higgs. No podemos percibirlo, es como el aire para nosotros, o
el agua para los peces, pero sin él no existiríamos, porque
las partículas adquieren masa sólo en contacto con el campo de
Higgs. Las partículas que no interaccionan con el campo de
Higgs no adquieren masa. Las partículas que interaccionan
débilmente se convierten en partículas de luz, y las que
interactúan intensamente se convertirán el partículas pesadas.
Por ejemplo, los electrones, que adquieren su masa debido a la
interacción con el del campo, juegan un papel crucial en la
constitución de los átomos y en los enlaces entre estos para
formar moléculas. Si el campo de Higgs desapareciera
repentinamente, toda la materia colapsaría repentinamente y
los electrones, ahora sin masa, se dispersarían a la velocidad
de la luz.
Nuestro universo
probablemente nació simétrico. En el momento del Big Bang, las
partículas no tenían masa y todas las fuerzas estaban
unificadas en una sola fuerza primordial. Este orden original
ya no existe, la simetría se ha perdido. Algo pasó sólo 10 –
11 segundos después del Big Bang. El campo de Higgs perdió su
equilibrio original. ¿Cómo sucedió?
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Todo comenzó
de forma simétrica. Este estado puede describirse como la
posición de una bola en medio de un bol redondo, en su
estado de mínima energía. Con un impulso la pelota
comienza a rodar, pero después de un tiempo vuelve hasta
el punto más bajo. Sin embargo, si en el centro del tazón
hay un abultamiento, que le daría la apariencia de un
sombrero mexicano, la posición central seguirá siendo
simétrica pero se ha vuelto inestable. La bola rodará
hacia uno u otro lado. El sombrero es simétrico, pero una
vez que la pelota ha rodado en una dirección, lejos del
centro, queda oculta la simetría. De manera similar el
campo de Higgs rompió su simetría y encontró un nivel
estable de energía en el vacío lejos de la simétrica
posición inicial. Esta ruptura espontánea de la simetría
también se denomina transición de fase del campo de Higgs;
es como cuando el agua se congela y aparece el hielo. |
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Para producir la
transición de fase eran necesarias cuatro partículas, pero
sólo una, la partícula de Higgs, ha sobrevivido. Las otras
tres fueron consumidas por los mediadores de la fuerza débil,
las dos partículas W, con carga eléctrica, y una partícula Z,
las cuales adquirieron su masa de esta forma. Así se salvó la
simetría de la fuerza electrodébil en el modelo estándar — la
simetría entre las tres partículas pesadas de la fuerza débil
y los fotones sin masa de la fuerza electromagnética existía,
sólo estaba oculta a la vista -.
Los premiados con
el Nobel probablemente no imaginaban que podrían ver
confirmada su teoría en vida. Ello requirió un enorme esfuerzo
por parte de los físicos de todo el mundo. Sin embargo, el
experimento ha sido finalmente realizado. Los científicos del
CERN esperan más descubrimientos sorprendentes en los años
venideros. Aunque ya es un gran logro haber encontrado la
partícula de Higgs (la pieza que faltaba en el puzzle del
modelo estándar), el modelo estándar no es la última pieza en
el puzzle cósmico.
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Un posible descubrimiento en
el detector ATLAS muestra trazas de cuatro muones (en
rojo), creadas por la desintegración de la partícula
de Higgs
Imagen: CERN, http://cds.cern.ch/record/1459496 |
Una partícula de Higgs puede
haber sido creada y, casi instantáneamente, se desintegra
en dos fotones. Sus trazas (en verde) son visibles en el
detector CMS.
Imagen: CERN, http://cds.cern.ch/record/1459459 |
Una de las razones
de esto es que el modelo estándar trata ciertas partículas,
los neutrinos, como partículas virtuales sin masa, mientras
que estudios recientes demuestran que en realidad tienen masa.
Otra razón es que el modelo describe sólo la materia visible,
que sólo representa una quinta parte de toda la materia en el
universo. El resto es materia oscura de una especie
desconocida. No es visible para nosotros, pero pueden ser
detectada porque su atracción gravitacional mantiene unida a
las galaxias impidiendo que se rompan en mil pedazos.
Por lo demás, la
materia oscura no se comporta como la materia visible.
Considerando que la partícula de Higgs es especial; tal vez
sea la llave para acceder a la materia oscura. Los científicos
esperan poder atrapar la materia oscura, en las próximas
décadas, en su búsqueda de partículas desconocidas en el LHC. |
