El modelo estándar y el bosón de Higgs: Al comienzo del universo…

Partes del especial «El modelo estándar y el bosón de Higgs»

Parte 1: El Modelo Estándar
Parte 2: Constituyentes básicos de la materia
Parte 3: Interacciones básicas
Parte 4: Simetrías básicas
Parte 5: Masa contra simetría
Parte 6: El mecanismo de Higgs
Parte 7: Una imagen sencilla
Parte 8: Ruptura espontánea de la simetría
Parte 9: Ruptura electrodébil
Parte 10: Al comienzo del universo…

¿Ha estado el campo de Higgs siempre con nosotros, llenando todo el espacio desde el comienzo del universo hasta ahora? Nuestro universo comenzó hace unos 13.700 millones de años a partir de una gran explosión inicial, el famoso Big Bang. Cuando solo tenía unos segundos de existencia, comenzaron los procesos por los que se crearon algunos tipos de núcleos atómicos ligeros, como el helio o el deuterio. Los cálculos teóricos concuerdan asombrosamente bien con las observaciones actuales de la abundancia de dichos elementos.

universo campo higgs

Por ello, estamos muy seguros de que en esa época remota ya había electrones, protones y neutrones convencionales. Así que el campo de Higgs ya debía estar ahí, dando masa a las partículas elementales. ¡Estamos hablando de unos segundos después del Big Bang! Pero también creemos que, si siguiéramos acercándonos al instante del Big Bang, encontraríamos un momento en que el campo de Higgs aún no habría tomado su valor en el vacío.

Según los cálculos teóricos, el campo de Higgs tomó su valor no nulo cuando el universo tenía solo una diezmilmillonésima de segundo. Ese fue el momento en el que se produjo la ruptura espontánea de la simetría electro-débil. Antes de ese momento el valor del campo en el vacío era H = 0.

Antes de explicar en qué nos basamos para semejante afirmación, podemos imaginar cómo era el universo justo antes de que el campo de Higgs hiciera su aparición. Las partículas elementales no tenían masa y, por tanto, todas viajaban a la velocidad de la luz. Además eran muy energéticas, ya que cuanto más cercano al Big Bang sea el instante considerado, más caliente estaba el universo. En aquel momento la temperatura era de unos mil billones de grados (o sea, 1000 millones de millones).

Pero había más diferencias. Como la simetría electrodébil no estaba rota, no había una interacción electromagnética como la actual, diferenciada de la interacción débil. Ambas formaban parte de la interacción electrodébil, en cuya estructura no vamos a entrar. Tampoco había cargas eléctricas en el sentido que les damos ahora; en su lugar había otras cargas, relacionadas con la simetría electrodébil aún sin romper.

La propia identidad de las partículas de materia era diferente que la actual. Por ejemplo, no se puede decir que hubiera electrones y neutrinos en el sentido ordinario. Su lugar lo ocupaban otras partículas que, cuando se produjo la ruptura espontánea, no solo adquirieron masa, sino que se transmutaron, convirtiéndose en los actuales electrones (con carga eléctrica) y neutrinos (sin ella).

particula higgs boson universo

Pero ¿por qué cuando el universo estaba muy caliente, el valor del campo era H = 0? Podemos entender este hecho con una analogía. Hay materiales que presentan magnetismo espontáneo, es decir, son imanes naturales.

Esto se debe a lo siguiente. Sabemos que los electrones tienen espín, o sea, un momento angular o «giro» intrínseco. Como además están cargados eléctricamente, poseen lo que se llama un momento magnético, es decir, son pequeños imanes. En algunos materiales, los momentos magnéticos de los electrones interaccionan entre ellos de forma que tienden a alinearse.

De este modo, los millones de imanes microscópicos que contiene el material apuntan en la misma dirección, y sus efectos se suman. En esa situación se dice que el material está magnetizado, y produce un campo magnético que es la suma de los campos magnéticos provenientes de cada imán microscópico. Este estado es el más estable energéticamente, y al que el material tiende de forma natural.

Sin embargo, si la temperatura es muy alta, la agitación térmica de los electrones hace que sus espines (y por tanto sus momentos magnéticos) apunten al azar. En ese caso, los campos de estos pequeños imanes apuntan cada uno en una dirección y en promedio se contrarrestan, por lo que el material no presenta magnetismo.

Pero si la temperatura desciende, hay una temperatura crítica (o temperatura de Curie), por debajo de la cual vuelve a ser ventajoso energéticamente que los espines se alineen de forma espontánea, a pesar de la agitación térmica. Por ello, el material vuelve a estar espontáneamente magnetizado. Este fenómeno lo podemos representar gráficamente de esta forma:

temperatura agitacion alineacion espines magentico

Cada flecha representa un imán microscópico orientado en esa dirección, como una pequeña brújula. El punto importante para nosotros es que cuando la temperatura es mayor que TC, el material no presenta ninguna dirección privilegiada. Por tanto, tiene una simetría bajo rotaciones. Pero para temperaturas menores que TC, se produce una alineación espontánea a lo largo de una dirección. Esto es exactamente un fenómeno de ruptura espontánea de la simetría de rotaciones inicial.

¿Se ha estropeado la simetría? No, solo se ha camuflado. Una prueba de ello es que la alineación se podría haber producido a lo largo de cualquier dirección (del mismo modo que la bolita de nuestro potencial de Higgs podía caer en cualquier dirección desde la cúspide de su cúpula). Pero, una vez que los espines se han alineado (o la bolita ha caído en una dirección determinada), la situación queda «congelada», y la simetría deja de ser evidente.

Esto es exactamente lo que le ocurrió al campo de Higgs al comienzo del universo. Cuando la temperatura descendió por debajo de un valor crítico, en torno a los mil billones de grados, se hizo energéticamente favorable que el campo de Higgs tomase un valor en el vacío. Ese fue el momento de la ruptura electrodébil, a partir del cual las partículas y las interacciones empezaron a ser como las conocemos ahora.

origen universo

Desde luego, ese fue un acontecimiento importante en la historia del universo, que ocurrió solo una diezmilmillonésima de segundo después del Big Bang. Muchos de los acontecimientos más importantes del universo sucedieron cuando este era muy joven (no todos). Mencionemos algunos otros. Cuando el universo tenía una diezmilésima de segundo y estaba a un billón de grados, los quarks se fusionaron dando lugar a los protones y neutrones. Recordemos que los protones son núcleos de hidrógeno.

Ese fue por tanto el instante en que se creó el hidrógeno del universo. Algo después, cuando el universo tenía unos 100 segundos de existencia, la gigantesca temperatura inicial había descendido a unos 1000 millones de grados. En ese momento se dieron las circunstancias adecuadas para que algunos de esos protones y neutrones se fusionaran, de forma parecida a como lo hacen en el interior de una estrella, dando lugar a núcleos de átomos más complejos, como el helio, el deuterio, el helio-3 y el litio.

Más tarde, cuando el universo tenía unos 380.000 años, la temperatura había descendido a unos 3000 °C. Los electrones ya eran lo suficientemente lentos para poder ser capturados por los núcleos, cosa que sucedió, dando lugar a los átomos. Fue el nacimiento de los átomos. Más adelante se produjo el lento proceso por el que la materia empezó a agregarse. Se formaron las primeras estrellas y galaxias.

Posteriormente, algunas estrellas explotaron, expulsando los elementos que habían «cocinado» en su interior, entre ellos algunos necesarios para la vida (carbono, oxígeno, etc.). Después de eso se formaron nuevas estrellas con planetas que contenían estos elementos esenciales para la vida, la cual apareció en nuestro planeta hace unos 4.000 millones de años, es decir, unos 10.000 millones de años después del Big Bang.

Y tras los últimos 4.000 millones de años de evolución, han aparecido sobre la Tierra seres humanos capaces de pensar sobre estas cuestiones. Pero sin la ruptura espontánea de la simetría electrodébil, aquel acontecimiento trascendental que ocurrió en la infancia del universo, los electrones no habrían adquirido masa, y tampoco existirían las interacciones electromagnéticas convencionales. No se habrían formado los átomos, y no habría planetas ni seres vivos. ¡El mundo resulta mucho más interesante con el campo de Higgs!

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