DIVULGACIÓN: Las nuevas teorías sobre la materia

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Una definición problemática
por Marcelo Dos Santos (especial para Axxón)
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Más o menos para 450 a.C., uno de los filósofos griegos más inteligentes, Anaxágoras de Clazómene, había elaborado ya una monumental y complejísima teoría cosmológica que, aunque equivocada en parte, denota ya conceptos mucho más avanzados que los del resto de sus contemporáneos. Tanto así, que la difusión de su obra le valió una acusación de ateísmo, blasfemia y herejía que prefigura las modernas persecuciones de la Inquisición contra los científicos que ella consideraba "heterodoxos". De esta manera, Anaxágoras fue perseguido por los sacerdotes y obligado a huir de Atenas a Lampsacus, donde murió a los 72 años de edad.

No son pocos los méritos de Anaxágoras: uno de los mayores es haber formado y preparado al más brillante de sus alumnos, que, como él, alcanzó fama eterna y universal. Como él, fue perseguido por sus ideas revolucionariamente avanzadas y, al igual que él, murió por ellas. Su nombre era Sócrates.

En vez de seguir las ideas de Empédocles, que decía que el universo material estaba formado por cuatro elementos (agua, aire, fuego y tierra), Anaxágoras fue un paso más allá: su universo estaba formado por infinita cantidad de partículas infinitamente pequeñas, cada una con características únicas aunque parecidas a las de las demás. Las distintas combinaciones de estas partículas definían la naturaleza de los materiales: carne, oro, piedra, etc. Como se ve, la visión anaxagórica no estaba tan distante de la moderna teoría atómica, sólo que él llamaba a sus partículas "semillas" y no "átomos".


Anaxágoras de Clazómene

No conforme con anticipar la teoría atómica por más de 2500 años, el griego decidió pasar al frente con una teoría cosmogénica, la cual puede explicarse más o menos de este modo: el universo era una masa amorfa, indiferenciada de materia. Luego comenzó a rotar, y las semillas se separaron. Estos nódulos de semillas dieron origen a todas las cosas. Encontramos aquí resonancias de la fuerza centrífuga, de la inercia newtoniana, de las densidades y pesos específicos, de las acumulaciones discretas de materia, y aún de nuestro moderno concepto de galaxias en permanente rotación. No es poco para un señor que vivía en el siglo V antes de Cristo (el Siglo de Pericles, que fue además un gran admirador suyo). Anaxágoras explicó los eclipses (adelantándose a la teoría copernicana), los arcoiris (milenios antes de Newton) y la naturaleza de los meteoritos.


Las "semillas" de Anaxágoras. El concepto es similar al de los "grumos" de materia en los primeros instantes del Big Bang

Todo muy bien, pero, si le hubiésemos preguntado a Anaxágoras qué era exactamente la masa, en qué consistía la naturaleza de los objetos materiales, nos hubiera respondido con la misma frase que decían todos sus contemporáneos: "masa es todo lo que existe". Con ser parcialmente cierta, la definición anaxagórica no nos ha aproximado siquiera a una definición concreta de la masa y la materia. "Todo lo que existe" es lo mismo que "El que Soy", frase que Dios, bastante fastidiado, respondió a Moisés cuando este lo importunaba preguntándole su nombre. "Lo que es" es lo mismo que contestar "no sé y no me importa".


Piénselo un poco: es mucho más fácil definir las leyes del movimiento que decirme qué es la masa. Piense en lo que le estoy preguntando, medite el tiempo que quiera y luego respóndame (y respóndase) con sinceridad. La pregunta es: ¿qué es la masa?

Alguno me dirá: la masa es la parte del universo que no es ni vacío ni energía. Eso es trampa. Le estoy pidiendo que me diga lo que es, no lo que no es. No vale definir por la negación. Además, acaba de definirme la materia y no la masa.

Otro responderá: es todo lo que genera gravedad. Puede ser, pero yo no le pregunté lo que genera, sino en qué consiste.

Otro más susurrará: es todo lo que está formado de átomos, y, de los tres, será el que está más cerca de la verdad. Sin embargo, la definición no es del todo correcta, porque la llama de una fogata es un plasma —o sea que no está formada por átomos— y sin embargo es imposible negarle su entidad material. Una estrella de neutrones o un agujero negro no están formados por átomos, y son objetos materiales y con masa. Si usted se llevara por delante a uno de ellos, yo le aseguro que le dolería algo...
La definición clásica y más básica de la masa proviene de un hombre genial cuyas ideas dominaron la ciencia humana durante más de dos siglos: Sir Isaac Newton. Fue en 1687 cuando este científico (el más importante de la historia) publicó que la masa es la cantidad de materia que surge de su densidad y cohesión. En pocas palabras: la masa es una medida de la mucha o poca materia que contiene un objeto. Aunque esta definición alcanzó para todos los fines prácticos casi hasta fines del siglo XIX, analizando la frase de Newton, comprobaremos que no estamos más cerca que antes de comprender la naturaleza de la masa sirviéndonos de ella.

Los científicos saben que la ciencia debe proceder según una secuencia determinada: lo primero es describir cómo funciona una cosa y recién después preguntarse por qué. Sólo en estos últimos años, por lo tanto, el porqué de la masa se ha convertido en objeto de estudio e investigación por parte de los físicos. Ya sabemos cómo funciona la materia. Ahora queremos saber qué es y de dónde salió.

Si lo lográsemos, completaríamos y ampliaríamos el Modelo Estándar de la física, una teoría probada y muy sólida que explica el comportamiento de todas las partículas conocidas y sus interacciones. Este logro potencial resolvería muchos asuntos misteriosos como —digamos— el de la materia oscura, que parece formar el 25% del universo.

En realidad, la masa se parece a ciertos conceptos como el talento de un artista, por ejemplo: decimos esto en el sentido de que es algo que todo el mundo sabe lo que es pero nadie puede definirlo con precisión.

Pero algunos están más cerca de poder hacerlo que otros...


Uno de ellos es el profesor Gordon Kane, teórico de la física de partículas y profesor de física Victor Weisskopf de la Universidad de Michigan en Ann Arbor. Kane trabaja en un método para expandir y comprobar el Modelo Estándar de la física de partículas. Es un especialista en la extensión supersimétrica del Modelo Estándar, experto en física de Higgs (ya veremos de qué se tratan) y en las teorías relativas a todo ello. Cuando le queda un minuto libre intenta compatibilizar todos estos estudios con la teoría de las cuerdas y los datos experimentales obtenidos en los aceleradores. Nada más. Nada menos. ¿Será tan gentil de explicarnos lo que ha descubierto acerca de la naturaleza de la masa y la materia? Pues sí, y lo hace en su último artículo de SciAm.


Dice el científico: "La mayoría cree que sabe lo que es la masa, pero entienden sólo una parte de la historia. Por ejemplo, un elefante tiene obviamente mayor tamaño y pesa más que una hormiga. Incluso en ausencia de gravedad, el elefante seguirá teniendo más masa, por lo que costará más empujarlo y ponerlo en movimiento. Por supuesto que el elefante es mayor porque está compuesto de muchos más átomos que la hormiga, pero ¿qué determina las masas de los átomos individuales? Y ¿qué hay de las partículas elementales que componen los átomos en sí? ¿Qué es lo que decide la masa de una partícula elemental? En realidad, ¿por qué tienen masa, por empezar?". Si quería ayudarnos a entender nuestro problema, Kane ha dado un paso en la dirección correcta: el problema de la masa tiene dos aspectos independientes.


Gordon Kane, uno de los que más saben acerca de la naturaleza de la materia

Con las definiciones clásicas no nos hemos acercado ni un ápice a la aprehensión del objeto de nuestro debate, pero si atendemos a la línea de pensamiento del profesor de Michigan, la clave está en los dos aspectos: el primero es que nos falta saber cómo aparece la masa. ¿De dónde sale? ¿Cómo se forma la cantidad que expresa el monto de materia? ¿Mucha, poca? Más o menos masa.

"Parece que la masa es el resultado de al menos tres mecanismos diferentes", explica el teórico. "El jugador clave en las teorías tentativas de la física acerca de la masa es un nuevo tipo de campo que interpenetra a toda la realidad, llamado Campo de Higgs".

El Campo de Higgs fue bautizado así en honor de su descubridor, el físico escocés Peter Ware Higgs. Higgs (nacido en 1929), es miembro de la Sociedad Real de Ciencias y profesor emérito de física teórica en la Universidad de Edimburgo.

El Campo de Higgs, como bien señala Kane, es crítico para nuestra comprensión de cómo adquieren las partículas su masa. Se cree que estas masas provienen de la interacción de las partículas con el Campo de Higgs. Si él no existiese, todas las partículas del universo tendrían masa cero. Si aceptamos que el campo existe, entonces la teoría predice la existencia de una nueva partícula, aún no comprobada, llamada por supuesto bosón de Higgs. En estos mismos instantes (octubre de 2005), los científicos de todo el mundo exigen grandes esfuerzos a sus aceleradores intentando aislar e identificar a algún bosón de Higgs. Hasta el momento, nadie parece haberlo conseguido.


Peter Higgs. En 1964 predijo el campo que lleva su nombre

Pero ¿qué es exactamente un bosón de Higgs? Para ser simples, podemos decir que el Campo de Higgs tiene tres componentes: uno eléctricamente cargado y dos neutros. El que tiene carga y uno de los neutros no tienen masa ni entidad física, y se los conoce como bosones de Goldstone, los famosos bosones W y Z. El restante componente neutro sí tiene masa: es un bosón de Higgs. En la teoría, es la interacción con esta parte del Campo de Higgs lo que transfiere masa a las demás partículas.

El bosón de Higgs no tiene spin (no gira sobre sí mismo), y su masa —característica y siempre constante— ha sido calculada este año en 91 GeV, con un límite superior máximo teórico de 186 GeV.

Entonces, Kane establece como primer aspecto del asunto de la masa al bosón de Higgs.

El segundo aspecto del problema es que los científicos saben que cada partícula elemental tiene una masa determinada, pero aún ignoran por qué cada una tiene la suya y por qué tienen que ser diferentes y tener esos valores en particular y no otros. Las masas de las partículas se desperdigan en una escala muy amplia: entre la más liviana y la más pesada hay una diferencia de por lo menos 11 órdenes de magnitud (1011). ¿A qué obedecen estos extraños ordenamientos?


"Los cimientos de nuestra comprensión moderna de la masa es muchísimo más compleja que la definición de Newton y se basan en el Modelo Estándar", explica Kane. "En el corazón del mismo se encuentra una función matemática llamada lagrangiana, descubierta por Lagrange, que representa el modo en que interactúan las partículas. Concretamente es la resta de su energía cinética menos su energía potencial (L=T-v). Usando esa función, y siguiendo una serie de normas conocidas como teoría cuántica relativista, los físicos pueden calcular el comportamiento de las partículas elementales, incluyendo cómo se unen entre sí para formar partículas compuestas, como por ejemplo los protones".

Newton encontró una fórmula (F=ma), que hoy conocemos como Ecuación de Newton. En ella, F es la fuerza, m la masa y a la aceleración. Lo que hace la lagrangiana es decirnos qué valor debemos ponerle a m, que es casualmente el problema que nos ocupa, y qué debemos entender por "masa de la partícula".

Pero, por supuesto, la masa es más de lo que nos muestra esta ecuación. La teoría especial de la relatividad de Einstein predice que las partículas sin masa se desplazarán en el vacío a la velocidad de la luz, mientras que las partículas con masa lo harán más lentamente. La velocidad de estas últimas puede calcularse con facilidad si se conocen sus masas. Las leyes gravitatorias predicen a su vez que la gravedad actúa sobre la masa y también sobre la energía de un modo determinado y muy bien conocido. La cifra m para cada partícula, que se deduce de la lagrangiana, se comporta exactamente del modo previsto para cada caso, exactamente como lo esperaríamos de acuerdo a cada masa dada.


Las partículas fundamentales con masa tienen una, que llamaríamos "intrínseca", conocida como "masa de reposo". Si una partícula compleja está compuesta por más de una partícula fundamental, debemos sumar las masas de reposo de sus constituyentes, la energía cinética de su movimiento y la energía potencial de sus interacciones para obtener la masa total de la partícula compleja. Como sabemos, la energía y la masa están relacionadas (o, mejor aún, son dos diferentes facetas de un mismo fenómeno), como se deduce de la célebre Ecuación de Einstein: E=mc2, donde la energía E es igual la velocidad de la luz c elevada al cuadrado multiplicada por la masa m.

La materia y la energía, por lo tanto, son lo mismo y son intercambiables. Puede decirse que una partícula con una determinada masa intrínseca en movimiento es "más masiva" que otra igual en reposo.

Más del 5% de la materia total del universo está representada por los protones y los neutrones, partículas complejas que forman los núcleos de todos los átomos. Gracias al Modelo Estándar sabemos que protones y neutrones están compuestos, a su vez, por partículas más pequeñas denominadas quarks, unidas o "pegadas" entre sí por partículas sin masa llamadas gluones. Aunque dentro de cada protón sus constituyentes están girando en un caótico torbellino, nosotros vemos desde nuestra posición externa sólo un objeto que nos parece sólido. Como tal, el protón posee una masa intrínseca de reposo, que se obtiene sumando las masas y las energías de sus constituyentes.

Entonces, ¿qué masa posee un protón? La cuenta es la siguiente: la masa de reposo de los quarks que contiene, más la energía cinética de esos mismos quarks, más la energía cinética de los gluones que los pegotean entre sí. La masa de los quarks es despreciable en el total, ya que la inmensa mayoría de la masa del protón proviene del movimiento de sus partes, es decir, de la energía y no de la masa. Ello quiere decir que el 5% de la masa total del universo está formado por los giros y contorsiones de los quarks y los gluones, y nada más. El 5% de la materia del universo es sólo un poco de movimiento.


El verdadero rostro de un protón: dos quarks up y uno down. Aunque aquí no han sido representados, entre ellos bailan los gluones

La diferencia entre los términos "partículas complejas" y "partículas elementales" estriba en que estas últimas no están compuestas de subunidades menores. Se trata de los quarks, gluones y electrones, por ejemplo. Entonces, cuando nos preguntamos de dónde sacan su masa estamos acercándonos al verdadero corazón el problema de la masa cósmica. ¿De dónde la obtienen ellas?

"Como hice notar antes", escribe Kane, "la idea propuesta por la física contemporánea es que las masas de las partículas fundamentales se producen mediante la interacción con el Campo de Higgs" . Si esto es cierto, el Campo de Higgs se encuentra presente en todo el universo, de punta a punta, de cabo a rabo. Esto plantea otras interesantes preguntas, a saber: ¿por qué el Campo de Higgs existe en todas partes? Segundo: si interactúa con las partículas, su valor neto es distinto de cero a escala cósmica, algo extremadamente inusual. El campo magnético total del universo es nulo. ¿Por qué no el de Higgs?

Y tercero y posiblemente más importante: ¿qué demonios es el Campo de Higgs, por empezar?

¿Podría usted ayudarnos, profesor Kane?

Por supuesto, joven.


"El Campo de Higgs es un campo cuántico. Esto puede sonar misterioso, pero el hecho es que todas las partículas elementales se crean como cuantos de su campo cuántico correspondiente. El campo magnético es también un campo cuántico, cuya partícula elemental correspondiente es el fotón. Entonces, en este aspecto, el Campo de Higgs no es más enigmático que los electrones o la luz. El Campo de Higgs, sin embargo, difiere de todos los otros campos cuánticos en tres circunstancias fundamentales". Pero antes de pasar a las tres diferencias deberemos explicar qué son un cuanto y un campo cuántico.

Un cuanto es la mínima porción de energía que puede transportar un sistema dado. El paquete más pequeño posible. Si consideramos la luz, el mínimo trozo de energía luminosa es el contenido en un fotón. Un tercio o siete octavos de fotón no existen. Uno o treinta, sí. El fotón, pues, es un cuanto de luz. Estos asuntos se describen en la Mecánica Cuántica de Planck.

Un campo cuántico es un ente que existe en todo el universo, y que da lugar a la creación y aniquilación de partículas.

Aclarado ello, veamos las tres diferencias entre los campos cuánticos normales y el Campo de Higgs, tal como las describe Kane. La primera de ellas es que todos los campos tienen una propiedad llamada spin, esto es, un giro de cada partícula sobre sí misma, del mismo modo en que la Tierra posee un movimiento de rotación. Algunas partículas como el electrón tienen un spin de ½, mientras que otras como el fotón tienen un spin 1. El bosón de Higgs, la partícula que forma el Campo de Higgs, tiene spin igual a 0. Al no tener spin, su lagrangiana difiere de la de todas las demás partículas conocidas hasta el momento, y provoca, además, las dos diferencias siguientes.

La segunda característica del Campo de Higgs, también única y que lo diferencia de todos los demás es que no tiene valor nulo si se considera al universo como un todo: "Cualquier sistema, incluyendo un universo, tenderá a caer hacia su nivel de energía más bajo, como una pelota que baja rebotando desde una montaña hacia el fondo de un valle". Lo que Kane explica aquí no es más que una de las leyes fundamentales del universo, la Segunda Ley de la Termodinámica o Ley de la Entropía. Todo tiende a caer hacia niveles de energía inferiores, que le exigen menos gasto energético. Daré algunos ejemplo: la pelota de Kane, puesta en el valle, nunca intentará trepar a la montaña por sí misma. Un litro de agua fría nunca se calentará si no le aplicamos energía, pero el agua caliente tenderá a enfriarse una vez apagado el fuego, porque su nivel energético será inferior al estar más fría. Y así al infinito. Usted mismo puede encontrar multitud de ejemplos similares.

Como es obvio, el mínimo nivel de energía de un campo dado es cuando su valor es igual a cero. Un campo magnético (una radio, por ejemplo), tiene un valor dado, pero sólo mientras se le aplica energía (cuando la planta transmisora está encendida). Si el operador de esa planta apaga la corriente, la radio dejará de estar en el aire, y el campo magnético que produce su antena irá a su nivel más bajo posible: cero. El campo habrá desaparecido.

El Campo de Higgs nunca es igual a cero, pero, a cambio, su valor no-cero es siempre constante. Kane nos explica esto: "En nuestra metáfora del valle, hay una pequeña colina en el centro del mismo, y el punto más bajo del valle forma un círculo que circunda la colina. El universo —la pelota— va a terminar al fondo de esta trinchera circular en algún punto, cuya profundidad corresponde al nivel no-cero del campo. Como está en su nivel natural de energía más bajo (aunque no sea cero), todo el universo está permeado por un Campo de Higgs de valor distinto de cero".

  
Dos miradas a la forma del Campo de Higgs, con la metáforica "pelota" que bajó de la montaña

La tercera peculiaridad del Campo de Higgs se evidencia en el modo en que interacciona con las demás partículas. Las partículas que interactúan con el Campo de Higgs se comportan como si tuvieran masa, la cual será proporcional al valor del campo. La masa de la materia, por lo tanto, aparece a partir de la lagrangiana de la interacción entre la partícula y el campo.

Espero que le haya quedado claro, porque no lo puedo explicar de otra manera.


Los párrafos precedentes resumen lo que sabemos del Campo de Higgs, sus bosones y la extraña manera en que el campo aparenta transferir su masa a las partículas. Sin embargo, sería un exceso de fe de parte del amable lector creer que tenemos todo controlado. En realidad, no sabemos más que esto. Ni siquiera estamos seguros de si existe un solo Campo de Higgs o muchos, y, en este caso, cuántos y de qué tipos.

Si bien el Modelo Estándar exige sólo uno para producir la masa de todas las partículas elementales existentes, los físicos saben que este modelo puede ser sólo una parte de una teoría más compleja. Hay distintos modelos que son parte de esquemas superiores, conocidos como Modelos Estándares Supersimétricos (SSMs). En ellos, cada partícula del Modelo Estándar tiene una contraparte (en realidad llamada "supersocia" ), de características extremadamente parecidas a las suyas. De más está decir que nadie ha descubierto, hasta el día de hoy, ni siquiera una supersocia del más humilde electrón del universo.

Si los Modelos Supersimétricos son correctos, entonces el Campo de Higgs no es único, sino que existen dos. No es que uno entregue masa a la partícula y el otro a su supersocia: la realidad es algo más compleja. Entre los dos proporcionan las masas de las partículas del Modelo Estándar. También entre ambos procuran la masa de las supersocias, pero sólo parte de ella.

El lector recordará que el Campo de Higgs contenía, en el Modelo Estándar, dos partículas sin carga y una con ella. Uno de ellos (uno de los que son neutros y tiene masa) era el bosón de Higgs. Los SSMs contemplan cinco tipos de bosones de Higgs: tres sin carga y dos con carga. Las pequeñísimas masas de los neutrinos, por ejemplo, pueden provenir de las interacciones entre estos cinco o incluso... ¡de un tercer tipo de Campo de Higgs!


Pero... ¿están seguro de que toda esta jerigonza es correcta? "Los físicos tienen muy buenas razones para creer que sí", nos desasna Kane. "Por empezar, sin el mecanismo de Higgs, los bosones W y Z no tendrían masa". Una vez más, el lector recordará que W y Z son los dos bosones del Modelo Estándar que no son de Higgs. ¿Y cuál es el problema de que no tengan masa?, me preguntará usted. Es que los bosones W y Z son los responsables de la fuerza nuclear débil, que produce, por ejemplo, fenómenos como la radiación. Si estos dos bosones no tuvieran masa, la fuerza débil crecería ineluctablemente hasta igualar a la fuerza electromagnética. Todo ello implicaría un universo radicalmente diferente del que vemos en la realidad. Por otra parte, si el modelo estuviese errado, los científicos no podrían haber medido con toda precisión las masas de W y Z, que se conocen perfectamente, incluyendo la relación entre una y otra.

En realidad, casi todos los aspectos esenciales del Modelo Estándar han sido comprobados experimentalmente, y han encajado en una teoría tan intrincada que sería muy difícil cambiar una parte sin afectar al resto. O sea, es casi imposible que se pueda sacar la teoría del Campo de Higgs sin que todo el edificio se derrumbe. El análisis de las medidas precisas de las propiedades de los bosones W y Z llevó a la predicción de la masa exacta que tendría el quark top ("arriba" ). Cuando por fin se lo descubrió, resultó tener precisamente la masa que el modelo había calculado. Cambiar la parte de Higgs del modelo haría que estas y otras predicciones dejaran de corresponderse con la realidad.

Por último, el mecanismo de Higgs predice y calcula con asombrosa exactitud las masas de todas las partículas del Modelo Estándar: bosones W y Z, quarks y leptones. Las explicaciones alternativas fallan en lograrlo. Además, al revés que ellas, los SSMs proveen un marco unificador para nuestro conocimiento de todas las fuerzas de la naturaleza. Además, explican por qué la "trinchera de energía" universal toma la forma que tiene (porque así lo exige la teoría de Higgs). En el Modelo Estándar básico, la forma circular de esa zanja tenía que ser postulada, mientras que en los SSMs se la puede derivar directamente en forma matemática.


Pero el método experimental exige algo más antes de poder proclamar la certeza de un nuevo descubrimiento: lo que se hace es obtener pruebas directas de lo que se pretende demostrar. ¿Cómo se demuestra que la masa se produce en las interacciones con los Campos de Higgs?

Si toda nuestra teoría es verdadera, tendríamos que poder ver en la materia las "firmas" energéticas que nosotros llamamos bosones de Higgs. Tienen que existir, o de otro modo la teoría tendrá que ser abandonada. ¿Los hemos encontrado? Aún no, pero todos piensan que lo haremos. En el preciso instante en que usted lee esto, los físicos están tratando de encontrar un bosón de Higgs en el Tevatrón del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (FermiLab) de Batavia, Illinois.

Una vez que tengamos algunos bosones de Higgs en la mano, podremos observar cómo interactúan con las demás partículas. Los mismos parámetros de la lagrangiana que definen las masas de las partículas también definen las propiedades de esas interacciones. "Podremos llevar a cabo experimentos para probar cuantitativamente las interacciones de ese tipo", escribe Kane. "Esto incluirá la fuerza de la interacción y la masa de las partículas involucradas".

Es notorio que los diferentes tipos de Campos de Higgs definidos por los modelos SSMs implican diferentes tipos de bosones de Higgs con diversas propiedades, por lo que los tests podrán distinguir también entre estas alternativas. "Lo único que necesitamos son aceleradores de partículas apropiados, que tengan suficientes energías como para hacer suficientes bosones y detectores de calidad tal que sean capaces de analizarlos cuando los produzcamos", afirma el físico teórico.


Sin embargo, no todo es tan fácil: el problema es que no comprendemos del todo la teoría. Esto nos impide calcular las masa que tendrán los bosones de Higgs en sí mismos, lo que dificulta los estudios, porque habrá que examinar toda una serie de partículas dentro de un rango de masa dado hasta encontrar un bosón de Higgs.

El LEP (Acelerador de Electrones-positrones) de Ginebra, Suiza, operaba en un abanico de masas entre los que era muy factible encontrar un bosón de Higgs. No lo logró, aunque hubo muy buena evidencia de uno, precisamente en el límite de la energía del acelerador. Sin embargo, ese experimento no se pudo repetir porque el LEP fue desmantelado ese mismo año (2000) para construir en su lugar el LHC (Acelerador de Hadrones). Por el nivel de energía al que trabajaba el LEP en el momento de su cuasi-hallazgo, se cree que el bosón de Higgs tenía una masa superior a la de 120 protones.


Técnicos en el interior del LEP

Antes de ser desactivado, sin embargo, el LEP produjo muy buena evidencia indirecta de la existencia de bosones de Higgs: esta evidencia se ha combinado con la del Tevatrón y las del SLAC (Centro de Aceleradores Lineales de Stanford). Todas juntas encajan perfectamente con la teoría, si se cumplen a rajatabla dos condiciones. Una es que se incluyan ciertas interacciones con los bosones de Higgs más livianos. La segunda es que estos bosones livianos no superen las 200 masas de protón. Estas dos limitaciones, como se ve, producen un límite superior en la masa del bosón de Higgs que puede ser utilizado para restringir los sitios donde buscar.


Liquidado el LEP, el único instrumento del mundo que podrá encontrar evidencias directas de bosones de Higgs en los próximos años es ahora el Tevatron. Su energía es suficiente para descubrir bosones de Higgs en el rango de masas definido por los experimentos en el LEP. La única limitación sería que se alcance sostenidamente el nivel de intensidad necesario en el interior del Tevatron, lo que hasta hoy no ha sido posible.


Construyendo el LHC

El LHC de Ginebra entrará en operación en 2007, y se espera que este sí alcance esos niveles de energía (de hecho, debería septuplicar los del Tevatron). Si todo sale como está previsto (y si las teorías son correctas), el LHC tendría que ser una verdadera fábrica de bosones de Higgs, en el sentido de que producirá muchísimos al día. Reunir los datos necesarios e interpretarlos puede insumir dos años, lo cual quiere decir que en 2009 tendremos la confirmación experimental de todo este conocimiento teórico.

Completar todos los experimentos necesarios requerirá, además, el diseño y construcción de un nuevo acelerador que haga chocar electrones contra positrones, ya que el LHC emplea protones y protones, y el Tevatron protones y antiprotones.


Colisión en el interior del Tevatron: cuando choca un protón contra un antiprotón, se crean dos quarks (representados en negro), que a su vez reciben su masa del bosón de Higgs

Una de las teorías más interesantes de las últimas décadas, aunque aún completamente indemostrada, es la de la Materia Oscura. Se trara de la suposición de que el universo está lleno de una clase de materia que no emite radiación de ninguna clase, por lo que es completamente invisible para nosotros e imposible de medir. Algunos han creído ver ciertos efectos gravitatorios sobre la materia visible (estrellas y galaxias) que podrían ser atribuidos a la existencia de ingentes cantidades de materia oculta a nuestros ojos e instrumentos.

Kane cree que el futuro descubrimiento de los bosones de Higgs no solo terminará de explicar que el objetivo del Campo de Higgs es en verdad proveer de masa a la materia, sino que también permitirá extender el Modelo Estándar para explicar inteligiblemente cómo se formó la materia oscura.

Hay una partícula en los modelos SSMs que se llama "supersocia liviana" (LSP). Entre las partículas previstas por los SSMs, la LSP es la de menor masa. La mayoría de las supersocias pronto degeneran en supersocias de escasa masa, pero la escala descendente termina en la LSP, que es estable porque no hay otra partícula menor por debajo de ella. El truco aquí es que cuando una supersocia se desintegra, al menos uno de los productos tiene que ser otra supersocia de masa menor; no puede decaer solamente hacia partículas del Modelo Estándar.

Las supersocias deben haberse creado apenas ocurrido el Big Bang, pero pronto se desintegraron y terminaron convertidas en LSP. Las LSP son, casualmente, las mejores candidatas para componer la materia oscura.

Dice Kane: "Los bosones de Higgs afectarán, pues, de modo directo, la cantidad de materia oscura que contenga el universo". Sabemos que hoy tiene que haber menos LSP que en el Big Bang, porque muchas de ellas habrán sufrido colisiones y se habrán aniquilado hace mucho para formar quarks, leptones y fotones, y la tasa de aniquilación debe haber estado regida por la interacción entre las LSP y los bosones de Higgs. De este modo, la elusiva partícula puede haber controlado la destrucción de materia oscura en el universo y, en consecuencia, fue la fuerza directriz del stock de materia oscura que tenemos hoy.

Antes explicamos que los dos Campos de Higgs básicos de los SSMs dieron toda la masa a las partículas del Modelo Estándar pero solo parte de la masa de las supersocias como por ejemplo la LSP. El resto de la masa de las supersocias proviene de otro tipo de interacciones que no dependen del bosón de Higgs ni del Campo de Higgs que conocemos: aún podremos buscar otros Campos de Higgs aún no previstos por ningún modelo teórico o incluso campos "no-de-Higgs" pero parecidos al de Higgs.

Hay modelos que muestran cómo deberían funcionar en general estos exóticos campos, pero no conoceremos los detalles íntimos hasta que tengamos datos concretos y completos acerca de las supersocias.

Tal vez el Tevatron pueda proveerlos, pero es más probable que tengamos que esperar a la puesta en marcha del LHC dentro de dos años.


Las interacciones con los Campos de Higgs adicionales o inclusive con "Campos de seudo-Higgs" pueden producir efectos muy interesantes, como el hecho de haber suministrado su infinitesimal carga de masa a los neutrinos.


Impresionante vista aérea del Tevatron del FermiLab

Originariamente se creía que los neutrinos no tenían masa, pero en 1979 se predijo correctamente que tendrían una, aunque muy pequeña. Luego de una tediosa serie de agotadores experimentos, se demostró que esas predicciones eran correctas. La masa del neutrino es tan pequeña que es un millón de veces menor a la de la siguiente partícula de la escala, el electrón. Como además tampoco tienen carga eléctrica, la descripción teórica de sus propiedades es más dificultosa y sutil que las de las partículas cargadas. Si logramos entender bien las interacciones de los campos, podremos entender por qué las ecuaciones de los neutrinos del Sol son como son.


Volviendo a nuestro problema principal, ya hemos visto tres modos fundamentales en que la masa pasó a equipar la materia, de los cuales el primero es el movimiento de quarks y gluones en el interior de protones y neutrones (energía cinética). La masa del protón sería prácticamente la misma sin el Campo de Higgs o si este no existiese.

La masa de los quarks que lo forman, empero, y también la masa del electrón, son un producto del Campo de Higgs al 100%. Ellos sí que no existirían sin él (y, como consecuencia, los protones y los neutrones tampoco, y usted y yo desapareceríamos con un "puf" sordo).

Si la supersocia liviana, por último, es en realidad la partícula que forma la materia oscura, su masa, al igual que la de todas las demás supersocias, habrá provenido de interacciones adicionales con Campos de Higgs diferentes al básico que estamos tranado de encontrar.


Hay algo más que explica Kane (y espero que usted no esté ni abrumado ni aburrido por la complejidad del asunto): se lo conoce como "el problema de la familia".

Durante los últimos 50 años los físicos nos han enseñado que todo lo que vemos (desde un virus a una galaxia, de una flor a Elke Sommer) está formado por solamente seis partículas: tres de ellas materiales (quarks top, quarks bottom —fondo— y electrones), dos cuanta de fuerza (fotones y gluones) y el sexto que, como hemos visto, debería ser el bosón de Higgs. "Es una extraordinaria y sorprendentemente simple descripción", exclama Kane. Ya sabemos que hay otros cuatro tipos de quarks, otros dos tipos de partículas semejantes al electrón, y tres clases de neutrinos. Todos ellos son de muy corta vida o casi no interactúan con las otras seis partículas.

En conjunto, todas estas partículas pueden ser clasificadas en tres grandes familias. La primera está compuesta por el quark up (arriba), el quark down (abajo), el neutrino electrón y el electrón. La segunda contiene al quark Charm (encanto), al quark strange (extraño), al neutrino muón y al muón. La última incluye al quark top, al quark bottom, al neutrino tau y al tau. Las partículas de cada familia tienen, entre sí, interacciones idénticas a las que las de las otras familias tienen entre ellas. Sólo difieren en la masa: las de la primera familia son más livianas, las de la segunda familia son más pesadas, y las de la tercera son las más pesadas de todas. Como vemos, el problema de la masa de los objetos materiales está presente también aquí. Como todas estas masas provienen de las interacciones de las diferentes partículas con el Campo de Higgs, cada familia debe tener interacciones distintas con el campo. Si no fuera así, ¿cómo es que el campo les ha dado distintas cantidades de masa?

Siguiendo este lógico razonamiento, el problema de la familia tiene dos partes. La primera es que no sabemos por qué hay tres familias, si sólo una (la primera) alcanza para describir el universo y la realidad como los entendemos hoy y como los conocimos siempre. El segundo problema se expresa mediante la pregunta: ¿por qué las tres familias difieren en cuanto a su masa y por qué tienen las masas que tienen?

Alguien puede preguntarse por qué los físicos están tan asombrados por esto, por qué se preocupan tanto porque haya tres familias cuando una sola bien pudiera formar nuestro universo sin ninguna otra ayuda ni adición.

Dice el profesor Kane: "Es porque queremos entender por completo las leyes de la naturaleza, las partículas básicas y las fuerzas. Pensamos que cada aspecto de las leyes fundamentales es necesario e imprescindible" . En otras palabras: lo que los físicos se ilusionan por lograr es, ni más ni menos, una teoría de la cual surjan inevitablemente todas las partículas y sus relaciones de masa, sin necesidad de arreglos de emergencia en las masas y sin necesidad de ajustar parámetros ni de inventar "constantes" para que las ecuaciones cierren. O sea: buscan un modelo fundamental definitivo.


Así será el LHC cuando esté terminado

Y la existencia de tres familias, de las cuales dos no parecen servir para nada, introduce una discordancia bastante molesta en ese esquema pacífico, funcional y necesario, donde nada falta ni nada sobra. Y concluye el científico: "Si la existencia de las tres familias es esencial, entonces hay una necesidad en nuestro modelo que no hemos visto o no hemos comprendido".

Puede ser, pero... Lo perturbador de todo esto es que tanto el Modelo Estándar como los Modelos Supersimétricos encajan con la estructura de familias que observamos... Encaja, sí, pero no pueden explicarla. No nos dicen por qué hay tres. Esta es una frase crucial. No es que los SSMs no hayan explicado todavía la existencia de las tres familias. Es que no puede, y nunca podrá. Para Kane, lo más extraordinario de la Teoría de las Cuerdas (que postula que la realidad es un entramado compuesto de hilos, membranas y superficies en vez de puntos) no sólo es que puede darnos una teoría cuántica de todas las fuerzas existentes, sino que también puede llegar a explicar qué son exactamente las partículas elementales y por qué hay tres familias diferentes. La Teoría de las Cuerdas parece capaz de mostrarnos por qué las interacciones de las partículas con el Campo de Higgs difieren de una familia a otra. En esta teoría, aparecen diversas familias, y son diferentes, tal como observamos en el mundo real del interior de un acelerador de partículas. Las diferencias postuladas por las Cuerdas no afectan a las fuerzas clásicas (fuerte, débil, electromagnética y gravitatoria) pero sí influyen sobre las interacciones con el Campo de Higgs (o, como hemos visto, con los Campos de Higgs). Estas predicciones se ajustan con nuestras observaciones, a saber: hay tres familias con masas muy distintas. "Aunque los teóricos de las Cuerdas no han resuelto aún el problema de tener tres familias y no una, la teoría parece tener la estructura adecuada para solucionar este tema. La Teoría de las Cuerdas permite muchas familias de estructuras diferentes, aunque hasta ahora nadie sabe por qué la naturaleza eligió las tres que vemos y no cualquiera de las otras posibles", dice el científico.

Lo que nos falta para aprender más acerca de las Cuerdas es —cuándo no— obtener mayores y mejores datos acerca de las masas de los quarks, los leptones y sus supersocias.

Y ya sabemos que para esto habrá que esperar. Entender la naturaleza de la realidad no es un trabajo para impacientes.


Pero, para terminar de desalentar al lector, conviene aclarara que no toda la materia del universo proviene de las interacciones entre las partículas y el o los Campos de Higgs. Sólo el 30% es transferida por bosones. ¿De dónde sale el restante 70%? Intentar responder a esta pregunta es como asomarse a uno de los mayores misterios de la historia de la ciencia humana. Hace un tiempo se descubrió un fenómeno extraordinario. Los cultores de la teoría de la materia oscura preconizaban que, si había mucha masa invisible, la tasa de expansión del universo se iría frenando por el efecto de la gravedad hasta detenerse por completo, y que finalmente el universo colapsaría en un gran "Big Crunch". Pero esto no es así. Los cosmólogos vieron, azorados, que en realidad nuestro universo está acelerando su expansión, no deteniéndola. Por motivos que sería prolijo enumerar aquí, se ha asociado esta aceleración con algo llamado "energía oscura" , que tampoco vemos, y que, según los mejores cálculos, debe representar ese 70% de masa-energía. Sin embargo, la energía oscura no está compuesta de partículas. ¡Pero representa, casi, las tres cuartas partes de la realidad! ¿De dónde obtiene su masa la energía oscura? ¿Hay otro mecanismo de transferencia de masa a la materia y la energía que no sea el Campo de Higgs? La lamentable respuesta a esta pregunta es: nadie lo sabe.


A pesar de los huecos de nuestros conocimientos actuales, ¡qué gran diferencia entre lo que creía Anaxágoras y lo que saben o sospechan Kane y los hombres como él! A la luz de los descubrimientos y teorías expuestos en el presente artículo, podemos entender por qué tuvieron que pasar varios miles de años para que consiguiéramos comenzar a entender lo que es la masa. Ya sé que no hemos explicado lo que es, entiendo que ni siquiera comenzamos a aproximarnos a su verdadero rostro, pero lo que sabemos es más de lo que el Hombre supo durante dos milenios y medio. Lo que ocurre es que ahora tenemos el Modelo Estándar de la física de partículas y la Teoría del Campo Cuántico, que describen las partículas y definen sus interacciones. El pobre griego nació, sudó, sufrió y se murió sin ellos, y es por eso que ni siquiera pudo atinar a formularse las preguntas correctas.

Las conclusiones del doctor Kane son, por lo menos, optimistas: "Aunque aún no entendemos completamente los orígenes y el porqué de los valores de las masas, por lo menos pareciera ser que el andamiaje de la teoría ya está en su lugar. Nadie pudo entender la masa antes de desarrollar teorías como el Modelo Estándar, su extensión supersimétrica o las Cuerdas. No queda claro todavía si podrán darnos todas las respuestas, pero gracias a ellas la investigación de la naturaleza de la masa es, hoy, un asunto rutinario en la física de partículas".

Hoy, en pleno siglo XXI, seguimos sin poder definir la masa, pero las teorías nos ayudan a imaginar para soñarla mejor.



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