El modelo estándar y el bosón de Higgs: Una imagen sencilla

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…

La forma en que hemos introducido el mecanismo de Higgs, y el correspondiente bosón, ha sido bastante abstracta y ceñida a su formulación matemática. Esto es difícil de evitar, ya que cuando se profundiza en las «razones» de la naturaleza para ser como es, lo que se encuentran son esencialmente razones de consistencia y lógica matemática. Sin embargo, ahora vamos a dar una imagen más gráfica e intuitiva de todo lo que hemos discutido.

boson higgs

El campo de Higgs que llena todo, incluso los espacios vacíos, se asemeja a un líquido o gas transparente, pero viscoso, que está en todos los sitios. Si no existiera ese líquido (es decir, si el campo H no tuviera un valor distinto de cero en el vacío), las partículas no tendrían masa. Serían como pelotas de ping-pong perfectamente ligeras que no opondrían ninguna resistencia a su desplazamiento.

Pero, al existir ese campo (en nuestra metáfora, el líquido transparente y viscoso), las partículas interaccionan con él (o sea, «friccionan» con el líquido) y por tanto experimentan una resistencia al movimiento. Y esa resistencia es exactamente como si tuvieran una masa (recordemos el concepto de masa inercial de Newton). En esta imagen, las partículas con mayor masa son las que friccionan más con el líquido (o sea, interaccionan más fuertemente con el campo de Higgs).

campo higgs

Finalmente, el bosón de Higgs corresponde a las excitaciones del propio líquido (o sea, el campo de Higgs). Sabemos que cuando agitamos un líquido, por ejemplo el agua de un estanque, se producen ondas. Pues bien, esas ondas serían los bosones de Higgs. Esto no es tan extraño. Recordemos que la Mecánica Cuántica nos ha enseñado que las partículas son las excitaciones de los campos, en este caso las excitaciones del campo de Higgs.

Aprovechemos para subrayar que hay varios conceptos relacionados, pero diferentes, que han sido bautizados con el nombre de Higgs, lo cual puede inducir a confusión. Por un lado está el campo de Higgs, que llena todo el universo (el «líquido transparente»).

Por otro lado tenemos los bosones de Higgs, que son las partículas asociadas a las excitaciones de ese campo (ondas generadas al agitar el líquido), y que solo se pueden producir en aceleradores como el LHC. A veces, por brevedad, a los bosones de Higgs se les llama simplemente Higgses. Finalmente, a todo este mecanismo por el que las partículas adquieren masa se le llama mecanismo de Higgs.

mecanismo higgs

La hipótesis del campo de Higgs recuerda a la hipótesis del éter, que fue propuesta por los físicos del siglo XIX para entender la propagación de la luz en el vacío. Aquella hipótesis consistía en que el espacio aparentemente vacío estaba en realidad lleno de un misterioso éter intangible pero muy rígido, que era el medio que vibraba al paso de las ondas electromagnéticas (la luz).

Pero este éter resultó ser una idea fallida, aunque permitió desarrollos interesantes. El éxito y la elegancia de la Teoría de la Relatividad demostraron que el éter era un concepto innecesario y problemático.

La luz no tiene dificultad para propagarse en el vacío, siempre que el espacio-tiempo se comporte como dicta la teoría relativista. En el siglo XX los físicos se han encontrado con el problema de la masa de las partículas, y lo han resuelto inventando un nuevo éter (muy distinto al del siglo XIX): el campo de Higgs. Tal vez sea también un concepto innecesario o erróneo. Si se demuestra que es así, la teoría que lo sustituya supondrá un paso de gigante en la concepción del universo, como ocurrió con la Relatividad.

campo higgs bosones

Sin embargo, en este caso la naturaleza parece decirnos que la hipótesis del mecanismo de Higgs va bien encaminada, a la vista de los descubrimientos del LHC. Si terminan de confirmarse, esto supondrá indudablemente un triunfo espectacular del ingenio humano para comprender, e incluso adivinar, aspectos extraordinariamente profundos y paradójicos de la naturaleza.

La metáfora del líquido transparente que hemos introducido es sugerente, pero tampoco es perfecta. La fricción ordinaria que sufre una pelota al desplazarse en un medio viscoso (por ejemplo, aceite) no solo hace que nos cueste ponerla en movimiento. Una vez que se mueve, la fricción la frena y acaba por detenerla.

Sin embargo, en el mecanismo de Higgs la interacción (fricción) de una partícula con el campo invisible que la rodea produce únicamente y exactamente el efecto de una masa. Debido a ello, nos cuesta efectivamente un esfuerzo poner la partícula en movimiento. Pero, una vez que ha sido puesta, la partícula proseguirá su movimiento con velocidad constante. La sola fricción con el campo de Higgs no la frena en absoluto.

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