Hace diez años se produjo una noticia sobre ciencia, que se propagó por la prensa, radio y televisión de todo el mundo, creando en el público una notable curiosidad y avidez por comprender el significado y trascendencia de esa noticia. Durante esos días, los programas de radio y televisión abrieron sus espacios para entrevistar a los científicos, como pocas veces en la historia de la comunicación y la ciencia.
Los científicos hicieron lo mejor que pudieron para explicar los detalles de ese descubrimiento que el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN) acababa de anunciar ese 4 de julio de 2012. Ahí se anunció el descubrimiento de una nueva partícula elemental llamada el Bosón de Higgs, un ente efímero que explica la forma como los bloques diminutos del mundo sub-atómico adquieren su masa.
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Parte de esa avidez para entender la noticia tuvo que ver con la forma como se llamó a dicha partícula en un libro de divulgación del físico Leon Lederman, que a sugerencia de sus editores usó el término “Partícula de Dios”. ¡Vaya manera de captar la atención del público! Parecía que la ciencia le estaba diciendo a la gente:
“he aquí el mecanismo cómo funciona la mente de Dios, por medio de esta partícula sabemos la clave para conocer cómo funciona el universo, la materia, incluida la vida”.
“¡Qué descaro de esos científicos!”, pudieron haber pensado los creyentes. Sin embargo, aunque ese descubrimiento es de una trascendencia tal que se puede ver cómo la culminación de miles de años de pensamiento alrededor de la hipótesis atómica, desde los griegos hasta nuestros días, muy poco tiene que ver con las ideas de dios, en tanto que estas no son desconocidas para la mayoría de los mortales.
Bueno, pero entonces, ¿Qué es el Bosón de Higgs, cómo se descubrió y por qué es tan importante? Vamos por partes.
Primero, mencionemos que en la teoría cuántica las interacciones o fuerzas entre electrones y protones, se describen como el intercambio de partículas. Es como cuando vemos a dos jugadores de basquet, que de lejos se ven juntos, y ya más de cerca vemos que ambos están peleando por algo, el tratar de quedarse con la pelota es la razón por la que parecen estar juntos. La primera teoría exitosa de este tipo fue la llamada “Electrodinámica Cuántica” (QED), en la cual la interacción electromagnética entre electrones y protones, es mediada por una pelotita llamada “fotón”, una partícula de masa cero y que se mueve a la velocidad de la luz. La QED ha sido una teoría muy exitosa, probada con gran precisión, que predijo entre otras cosas la existencia de la antimateria, esto es, que a cada partícula de la naturaleza le corresponde su antipartícula, de la misma masa, pero de carga eléctrica opuesta; así el electrón tiene su antipartícula, el anti-electrón o también llamado positrón.
Sin embargo, existen también las llamadas interacciones nucleares débiles, que se manifiestan por ejemplo en el decaimiento del neutrón, que vive por unos ocho minutos y luego se desintegra en un protón, un electrón, más un anti-neutrino. Las interacciones débiles muestran diferencias notables con las electromagnéticas, por ejemplo, en QED un electrón que “gira” a la izquierda interactúa con los fotones igual que uno que “gira” a la derecha, mientras que la interacción débil sólo involucra electrones que “giran” a la izquierda, y de hecho en el decaimiento del neutrón sólo se producen neutrinos izquierdos.
Cuando se trató de extrapolar la idea de las partículas mediadoras a la interacción débil, se notó que era posible, pero que estas debían ser cargadas y tener una masa muy grande (comparada con el neutrón o protón), se les llamó W+ y W-. Por cierto parecido con la fuerza electromagnética, el físico norteamericano Julian Schwinger propuso a su estudiante, Sheldon L. Glashow, que investigara si era posible formular una teoría que unificara ambas fuerzas. En 1961, Glashow logró escribir un modelo en el que la fuerza débil parecía emparentada con la electromagnética, con una consecuencia adicional: debía existir una partícula neutra, que luego se llamó Z, también mediadora de la fuerza débil, con una masa similar a la del W.
El problema con el modelo de Glashow era que no se sabía cómo hacer que el W y el Z fueran masivos, lo cual era necesario para que tuvieran que ver con la realidad. Es en este punto en el que aparece el nombre de Peter Higgs, así como de R. Brout y F. Englert, quienes encontraron una manera para generar las masas requeridas.
Mediante el mecanismo inventado por estos señores, era posible que las partículas elementales los quarks, los leptones (como el electrón) y los bosones de norma W, Z, adquieran su masa. Por la forma como se portan colectivamente, los electrones (y los quarks) se les llama fermiones, mientras que el fotón (y el W, Z) se les conoce como bosones.
En este mecanismo la masa resulta de la interacción de las partículas con el vacío (que en realidad no está tan “vacío”), esto es algo parecido a cuando movemos una pelota en el aire o en el agua, sabemos que nos cuesta más moverla en el agua porque el medio cambió la inercia de la pelota. De no contar con ese mecanismo de Higgs, todas las partículas se moverían a la velocidad de la luz, y no tendrían opción de formar núcleos, átomos, ni moléculas. En consecuencia, no habría manera de que se formaran estructuras macroscópicas en el universo. ¡Vamos, en último término hasta la existencia de la vida se la debemos al Higgs!
¿Y cómo se detectó dicha partícula de Higgs? Eso ocurrió en el CERN, el cual alberga un acelerador de protones llamado LHC, que alcanzó una máxima energía de 7-8 TeV; 1 TeV(Tera-electrón-Volt) es una unidad de energía igual mil GeV, donde 1 GeV es aproximadamente la energía que se obtiene al convertir la masa de un protón en energía, esto se hace usando la fórmula de Einstein E=mc^2.
Los protones acelerados se hacen chocar en un punto produciendo reacciones nucleares que hacen posible convertir esa energía para materializar partículas más pesadas, como los bosones W, Z o el quark top, o el mismo Higgs.
En esos choques se produce una multitud de procesos y entre esos miles de millones de reacciones (ruido) hay unas cuantas que corresponden a la producción de un bosón de Higgs (señal). Todo el chorro de partículas pasa por los detectores, pilas enormes de equipo instrumental, miles de cables y otros tantos sub-componentes, todo ello con un peso de muchas toneladas. Entre los detectores del LHC, los que se dedicaron a buscar el Higgs fueron llamados ATLAS y CMS (cabe mencionar que en este último hay una participación de los científicos de la BUAP, así como en otro de los detectores, llamado ALICE, el cual está dedicado a estudiar el plasma de quarks y gluones).
Se requiere un formidable equipo instrumental y de cómputo para grabar los eventos interesantes, y luego estudiarlos para buscar aquellos eventos que corresponden efectivamente a un Higgs. De hecho, el análisis de cómputo y estadístico es tan sofisticado que debió ser realizado por diferentes grupos, dentro de cada colaboración.
Con todo el análisis realizado cuidadosamente, y habiéndose descartado algunas fugas de información previas, con señales equivocadas, ese 4 de julio de 2012 por fin se abrió el auditorio principal del CERN para hacer el anuncio del descubrimiento a todo el mundo. Se tenía evidencia concreta de la existencia de una partícula con una masa de 125 GeV. El descubrimiento también es una confirmación de la teoría, ya que al aplicar sus métodos pudo acotar la masa del Higgs y dejar finalmente un rango de masas posible, que felizmente coincidió con el valor medido en el experimento.
Podemos decir que la ciencia del Bosón de Higgs ha seguido su camino y a diez años del descubrimiento, sabemos un poco más del mismo. Por ejemplo, ahora sabemos con mayor precisión cómo se acopla el Higgs a los quarks top, bottom, así como a los leptons tau y muon, y también a los bosones W y Z, todo ello de una manera que parece consistente con las predicciones de la teoría mínima, el famoso Modelo Estándar. Sin embargo, hay otras propiedades que aún no se han medido, como la auto-interacción del Higgs. Se espera que la corrida actual del LHC, que justo está iniciando estos días a mayor energía, pueda arrojar más luz sobre estas propiedades.
Al mismo tiempo, la manera como se hizo el anuncio del descubrimiento, también ha llevado a una redefinición de la comunicación de la ciencia. Los laboratorios internacionales cuentan ahora con equipos especializados que colaboran con los científicos para llevar el mensaje de la ciencia de una manera efectiva y profesional.
Todo eso implica una mayor inversión de recursos y personal por parte de los laboratorios más avanzados del mundo, como el CERN y la NASA.
¿Y por qué será que siguen haciendo ese gasto? Por la sencilla razón de que la inversión en ciencia básica produce toda una serie de beneficios a la sociedad, como lo ilustra la historia de la ciencia y la tecnología del siglo XX y lo que llevamos del XXI.
Para cerrar podemos afirmar que este descubrimiento implicó una enorme cantidad de recursos humanos y materiales, de varios países, que fue posible concentrarlos en un lugar como el CERN, un laboratorio ubicado en la frontera entre Francia y Suiza, en la cual laboran miles de científicos de casi todo el mundo, una verdadera babel que logra entenderse con un lenguaje común: el de la ciencia.
Otra lección que nos deja este descubrimiento, además del lado científico, es el valor de la colaboración internacional, una empresa en el que todos ayudan a todos, donde cada parte pone sus habilidades al servicio de una causa universal. Sin duda hay muchos retos que enfrenta la sociedad en nuestro tiempo, pero el camino de la colaboración hace surgir lo mejor de la humanidad, como una comunidad responsable, generosa y soñadora.