Cómo le expliqué el bosón de Higgs a mi abuela en Twitter
Abuela, el universo comenzó hace mucho, mucho tiempo. No sabemos cómo ocurrió ni el porqué, pero hace 13.700 millones de años, que se dice pronto, pero es mucho tiempo, nacieron el espacio, el tiempo, la energía y la materia [1]. Toda la materia que nos rodea está hecha de átomos y los átomos están hechos de partículas, pero al principio del universo no había átomos, solo había partículas. Todas las partículas del universo nacieron sin masa; ahora mismo hay partículas muy pesadas, otras muy ligeras, e incluso algunas siguen sin masa, pero al principio no había ninguna diferencia entre sus masas, ninguna.
Como ninguna partícula tenía masa, todas eran eternas y ninguna podía desintegrarse en partículas de menor masa [2]. Hoy conocemos tres familias de partículas, de masa creciente, pero el universo está hecho solo de las de menor masa. No sabemos por qué, pero algo le pasó a la sopa primordial y casi todos sus tropezones, las partículas, ganaron masa. Ocurrió cuando el universo tenía solo una billonésima de segundo de vida y su temperatura era de unos 100 millones de billones de grados. Lo que llamamos época electrodébil del universo dio paso a la llamada época de los quarks [3]; la sopa primordial de partículas cambió en ese momento clave en la historia del universo. Ya no se producirían partículas de Higgs, W y Z por doquier; este cambio extraordinario provocó que las partículas de Higgs, W y Z ganaran una masa enorme, aunque el fotón siguió sin masa; al ganar masa, las partículas de Higgs, W y Z dejaron de ser estables y decayeron en otras partículas de menor masa [4].
Abuela, todavía no sabemos los detalles de lo que ocurrió, solo que algo le pasó al llamado campo de Higgs. Sabes que el campo magnético de un imán atrae o repele a otro imán. También percibes el campo gravitatorio de la Tierra que atrae hacia el suelo todas las cosas que se te escapan de entre las manos. La radio, la televisión, los teléfonos móviles y muchas otras cosas son posibles gracias a los campos electromagnéticos. Estamos rodeados de campos, pero solo sentimos la gravedad. El campo de Higgs es otro de los campos que nos rodea por todas partes, pero como los campos electromagnéticos no lo percibimos con nuestros sentidos. Bueno, algunos sí, no hay magia en los campos; ves gracias a la luz visible que emite el Sol y te calientas en invierno con el calor de la chimenea.
La física cuántica es muy difícil de explicar con palabras, pero créeme, los campos cuánticos solo se pueden observar como partículas. Los campos cuánticos, como todos los campos, presentan ondas, como las olas en el mar, las ondas sonoras o las ondas de la luz. Pero estas ondas no se pueden observar, es imposible, solo podemos observar las partículas que representan. Por qué solo podemos observar partículas. La razón es sencilla, para observar un campo cuántico tenemos que usar otras partículas, por ello lo único observable son partículas y su efecto sobre otras partículas. El vacío es un estado del campo; una región del espacio está vacía si no hay partículas, pero puede haber ondas en el campo. Sé que puede ser difícil de entender, pero el vacío del campo no está vacío, tiene ondas del campo, que los físicos llamamos con el curioso nombre de partículas virtuales. Las leyes de la mecánica cuántica (el principio de incertidumbre de Heinsenberg) permiten que estas partículas virtuales aparezcan y desaparezcan sin que nadie pueda observarlas [5].
Abuela, no confundas el estado de vacío de un campo con la nada o con el espacio vacío sin más; el vacío es un mar que hierve partículas virtuales. La física cuántica permite contar el número de partículas que hay en una región del espacio en la que hay un campo; hay cero en el vacío y puede haber una, dos, tres, o cualquier número entero positivo, pero es imposible que haya media partícula, un tercio, o cualquier otra fracción. Si te pregunto qué energía promedio asignarías al vacío, qué me dirías. Cierto, el valor cero es el más razonable, pero no el único posible. La física cuántica nos enseña que un campo también puede tener un vacío con una energía promedio mayor de cero y que este valor puede cambiar. El campo de Higgs antes de que el universo tuviera una billonésima de segundo tenía un vacío con energía cero y varias partículas de Higgs sin masa. Pero el campo de Higgs cambió y adquirió una energía del vacío enorme, las partículas ganaron masa y todos los Higgs se desintegraron. Desde entonces la única forma de producir un bosón de Higgs es haciendo vibrar el campo con muchísima energía utilizando colisiones de partículas [6]. Los físicos decimos que el campo de Higgs se condensó y las partículas se separaron en tres generaciones de masa creciente.
La condensación del campo de Higgs es lo que los físicos llamamos una transición de fase; parece muy complicado, pero tú lo experimentas en tu cocina cuando hierves agua. El agua líquida a 100 grados Celsius sufre una transición de fase y se convierte en vapor de agua, los físicos decimos que el agua cambia de estado. En tu congelador, a cero grados Celsius, el agua se solidifica formando hielo [7]. ¡Cómo le gustan los helados a tu nieto! El agua líquida, el vapor de agua y el hielo son la misma cosa, agua, son solo diferentes estados de la misma cosa, pero sus propiedades son muy diferentes. El campo de Higgs antes y después de la condensación es la misma cosa, pero sus propiedades son muy diferentes y también su relación con las partículas. Al condensarse el campo de Higgs cambió su manera de interaccionar con las demás partículas y muchas que no interaccionaban con él empezaron a hacerlo, ganando masa.
Abuela, podríamos decir que las partículas sin masa estaban “desnudas” y que el cambio que experimentó el vacío del campo de Higgs las (re)vistió con un pesado vestido. Los físicos decimos que una partícula está “desnuda” cuando eliminamos de las ecuaciones los efectos del vacío que rodea a dicha partícula. El efecto del vacío, que siempre está presente, consiste en (re)vestir a la partícula, cambiando sus propiedades y parámetros. No solo cambia la masa. Todos los parámetros de una partícula, como su carga eléctrica, tienen un valor diferente para la partícula desnuda y para la partícula (re)vestida. En los experimentos solo podemos observar los parámetros de la partícula (re)vestida; los valores para la partícula desnuda son imposibles de medir [8]. Los físicos creemos que el valor de la masa de las partículas “desnudas” (sin el campo de Higgs) es exactamente cero; sin “vestido” la partícula no tiene masa. El vacío del campo de Higgs (re)viste a las partículas y hace que se comporten como si tuvieran masa. Una nube de bosones de Higgs virtuales (re)viste a la partícula y es responsable del valor de la masa de la partícula que medimos en los experimentos [9].
No sabemos por qué unas partículas son más atraídas que otras por el campo de Higgs. No sabemos por qué un electrón tiene mayor masa que un neutrino, pero menor masa que un quark; quizás la respuesta sea un simple accidente, o quizás haya una razón profunda. Estudiar la partícula de Higgs no nos permitirá saberlo, pues todo lo que sabemos sobre las partículas, lo que los físicos llamamos modelo estándar, no nos permitirá descubrirlo. Será necesario descubrir nuevas leyes físicas. Te preguntarás entonces, ¿por qué el anuncio del descubrimiento ha generado tanto revuelo mediático?
Abuela, muchos físicos estudiamos en la carrera que la partícula de Higgs debía existir pero que sería imposible encontrarla. Hace 20 años parecía un sueño imposible de realizar. Pero todo cambió hace unos 10 años. Los rumores de que el Higgs podría ser descubierto en pocos lustros puso a miles de físicos manos a la obra para descubrirlo. Para muchos de nosotros el anuncio del pasado 4 de julio ha sido un sueño cumplido.
La partícula de Higgs es muy esquiva y no podemos observarla directamente, pero podemos saber que existe estudiando la huella que deja su presencia, los productos de su desintegración. En los grandes colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones, más conocido como el LHC, que se encuentra en el Centro Europeo de Física de Partículas, el CERN, cerca de Ginebra, en la frontera francosuiza, hemos podido fabricar la partícula de Higgs haciendo colisionar entre sí dos partículas con muchísima energía. Utilizando dos detectores enormes, cual catedrales mediavales, llamados ATLAS y CMS, hemos podido observar las trazas de las partículas en las que se desintegra el Higgs; no lo hemos visto, pero ya sí sabemos que existe.
Para los físicos ha sido un paso hacia adelante de enorme importancia. Ahora podemos estudiar una nueva rama de la física, la física del Higgs. Para los físicos ha sido como descubrir un nuevo continente aún por explorar. ¡Cuántas cosas aprenderemos gracias a la física del Higgs! Hay tantas cosas que no sabemos y cuesta tanto arañar unos pocos detalles de las leyes que rigen la Naturaleza, pero qué apasionante.
Abuela, espero que esta explicación haya servido para que vivas un poco la pasión que tu nieto, como muchos otros físicos, derrocha por la física del Higgs [10].
Comentarios en Twitter
[0] Antonio @aberron dijo que ”la abuela no puede oírte. Le dio un síncope con tu primer tuit y estamos con ella en el hospital. No insistas.”
[1] En Twitter no gustó, pero no quería hablar tan pronto de espaciotiempo, campos, partículas, … Soy consciente de que a los físicos no nos gusta usar la palabra “materia.”
[2] Mario Herrero @Fooly_Cooly recordó que las partículas sin masa también pueden desintegrarse en otras partículas sin masa (siempre y cuando no se violen otras leyes de conservación). Por ejemplo, en QCD el gluón puede desintegrarse en pares de gluones (g→gg).
[3] Se cree que la época inflacionaria ocurrió entre 10–36 y 10–32 segundos tras el Big Bang (Gran Explosión). La época electrodébil ocurrió entre 10–36 y 10–12 segundos.
[4] En la época de los quarks la sopa primordial estaba dominada por quarks y leptones de primera generación, fotones y gluones. Las partículas de las otras dos generaciones eran inestables y decaían en partículas de la primera.
[5] El concepto de partículas virtuales es uno de los más profundos y difíciles de explicar con palabras cotidianas de toda la física. Lo más importante que hay que saber es que las “partículas virtuales” no son partículas, son excitaciones del vacío del campo. Por qué entonces se les llama partículas. Porque en ciertas interacciones una “partícula virtual” puede transformarse en una partícula y porque en los diagramas de Feynman (una herramienta matemática) se trata a las excitaciones del vacío como si fueran “partículas” que violan las leyes de la física (por ejemplo, los “fotones virtuales” tienen masa, pueden comportarse como si viajaran al pasado y cosas más raras); violan estas leyes físicas cuando insistimos en ver como partículas cosas (las “partículas virtuales”) que no son partículas, pero estas violaciones no “molestan” a los físicos porque las “partículas virtuales” no se pueden observar como partículas (entre otras cosas, porque no lo son). Algún día dedicaré una entrada que aclare estos conceptos tan abstractos.
[6] Para producir un bosón de Higgs no solo hay que poner mucha energía en una pequeña región del espaciotiempo, también tiene que ocurrir que dicha energía esté asociada a partículas con mucha masa (quark top, W o Z). En el LHC, más del 90% de los Higgs se producen por fusión de gluones, vía tres quarks top virtuales. Casi todo el 10% restante de Higgs se produce por fusión VV de bosones, tanto WW como ZZ. Otros modos de producción, como la producción de cuatro quarks top, o la desintegración de un único bosón (W o Z), tienen una contribución mucho más pequeña.
[7] Obviamente, estoy simplificando al máximo el diagrama de fases del agua, en el que, como mínimo, hay tener en cuenta la presión (pero también influyen otros, como la composición isotópica del agua).
[8] Algunos físicos criticaron mis palabras en Twitter pues estoy utilizando términos propios de la teoría de la renormalización (como “bare particle” y “dressed particle”) y los estoy aplicando a la rotura de la simetría electrodébil. Me pareció que este analogía podía ayudar, ahora cuando la releo me parece que meter nuevos términos complica más que ayuda.
Nota técnica solo para físicos: He abusado de la confianza de mi abuela y parte de lo que he dicho en este párrafo no es correcto. En la teoría de la renormalización se llama masa desnuda de la partícula a la masa de la partícula suponiendo que es puntual (es decir, para radio cero o energía infinita). Esta masa desnuda es imposible de medir, pues es imposible de eliminar el efecto del vacío del propio campo de la partícula que la rodea; este vacío altera el valor desnudo y lo reviste (con el propio campo) resultando el valor medible experimentalmente, que depende por tanto de la energía (y del momento) de la partícula. En este entrada he abusado de la analogía (al más puro estilo de ¿vale pulpo como animal de compañía?) y le he explicado a mi abuela el efecto del campo de Higgs como un revestimiento del vacío a la partícula. Obviamente, los físicos que lean esto me tirarán de las orejas. El campo de Higgs dota a la partícula de su masa desnuda y luego el vacío del propio campo de la partícula la reviste. No es cierto que la partícula desnuda del campo de Higgs tenga una masa desnuda nula, pero espero que me permitáis la analogía en aras a la comprensión de estas sutilezas por parte de mi abuela.
[9] La analogía muy popular de un famoso que entra en una fiesta y el público le rodea haciendo que se mueva como si su masa fuera mayor sigue la misma idea de razonamiento. Obviamente, estas analogías están muy alejadas de la realidad de los campos y sus interacciones. Nadie debe tomárselas muy en serio.
[10] Los dos últimos párrafos no fueron tuiteados porque Twitter no es para tuitear entradas de un blog. Cada medio tiene su uso. Aunque he de confesar que la versión actual de la entrada ha cambiado bastante con respecto a su versión original gracias a los tuits de los que me siguieron mientras la tuiteaba, frase a frase.
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