Domingos de la física: el bosón de Higgs

Justo esuvimos conversando brevemente con mi buen amigo Tito Torres, que es físico teórico, sobre el Boson de Higgs y anoche vi un documental sobre el acelerador de partículas de alta energía del CERN, así es que antes que se me olvide colocaré un comentario para inaugurar los Domingos de la Física.

Problemas fundamentales
Los problemas fundamentales de la física no son difíciles de entender, aunque su mecanismo en detalle puede ser muy complicado, porque solo puede explorarse por medio de modelos matemáticos. Tres problemas fundamentales han sido estos (i) Qué es el tiempo, (ii) Qué es la fuerza y (iii) Qué es la masa.
Sobre la naturaleza del tiempo, la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, que fijó la velocidad de la luz como una constante, aclaró bastante las cosas y ahora se tiene una explicación razonable sobre como nació el tiempo y como probablemente puede terminar. Stephen Hawkings hizo algunos descubrimientos importantes y escribió un libro de divulgación muy entretenido sobre eso.

Sobre la fuerza, esa "acción a la distancia" que dejó perplejo a Newton, la Teoría General de la Relatividad dió una buena explicación para la fuerza gravitacional, mientras que la Mecánica Cuántica dio otra explicación, no tan inteligible pero eficiente, sobre las fuerzas a nivel subatómico. Richard Feynmann, príncipe de los físicos, encontró con sus diagramas y la idea de intercambio de partículas, una explicación bastante inteligible para las fuerzas subatómicas. Claro que falta alguna teoría que unifique la gravitación con las otras fuerzas, pero son detalles, ya llegará cuando Tito termine su trabajo.

Sobre la solidez de la materia
Sin embargo queda un misterio que parece el mayor de todos ¿que diablos es la masa? La masa es lo que caracteriza a la materia, incluso hay una corriente filosófica llamada "materialismo" y postula que la materia es lo único que realmente existe. La mayoría de las personas tienen ideas materialistas bastante ingenuas, basadas en lo intuitivo, me recuerda un poco la religión Newtoniana del Siglo XIX.
Se asocia frecuentemente "materia" con las cosas "solidas" o "impenetrables", sin embargo cualquiera que sepa un mínimo de física sabe que esas son ilusiones de nuestros sentidos, nada más. La solidez es causada por campos de fuerza y la materia está compuesta principalmente de espacio vacío. Las cosas materiales muy rara vez llegan a hacer contacto, excepto en las reacciones atómicas como una bomba o en el colisionador de hadrones.

Nadie le creía a Higgs
Peter Higgs, nunca tuvo un gran prestigio científico, antes que sus ideas fuesen aceptadas. Estaba lejos de celebridades como Hawkings o Penrose y muchos de sus artículos eran rechazados por fantasiosos y no tener suficiente respaldo. Su interés estaba centrado en la masa. Su intuición era que la masa no existió en el Big Bang, sino que fue adquirida milésimas de segundo después. Leo en Wikipedia que se basaba en el trabajo de Yoichiro Nambu, de la Universidad de Chicago, que predecía que en ciertos estados de materia condensada, la simetría de las fuerzas nucleares débiles se rompía de manera espontánea. Pero la teoría de Nambu tenía un problema: deberían aparecer partículas sin masa (Teorema de Gladstone) que no fueron confirmadas por ningún experimento.

¿Partículas sin masa?
La idea intuitiva o ingenua de partícula es algo material, es que necesariamente debe tener masa par que sea "real". Pero todo es cuestión de definiciones y en física se amplió el concepto de "partícula", si no me equivoco desde el descubrimiento que los fotones que componen la luz y se comprobó tienen masa cero. Existen entonces las partículas "materiales" (no se si será correcto decirlo así) como los electrones y los quarks que forman los núcleos del átomo y además existen partículas "inmateriales" que son pura energía, pero si causan efectos en su entorno. Esta es una cosa bastante difícil de imaginar y tiene que ver con nuestra idea intuitiva sobre lo que es el "vacío".

Modelo Standard
Bueno, las partículas sin masa o bosones son las mediadoras que producen las fuerzas. La fuerza a nivel subatómico -si no me equivoco- se produce por intercambio de bosones entre dos partículas materiales. .Existe en física un "Modelo Standard" que describe a toda la materia y energía en unas pocas partículas básicas como las "materiales" (se llaman genéricamente leptones): electrónes, quarks y las "inmateriales" o sea sin masa (que se llaman bosones). El modelo standard es matemático, así es que para que sea aceptado como válido no debe tener inconsistencias. Lamentablemente no es así, este modelo lindo y simple lleva a varias contradicciones.

Volvamos entonces a nuestra pregunta del millón ¿que es la masa? Ya no podemos usar conceptos de solidez o impenetrabilidad, pero podríamos decir que la masa es una propiedad de ciertas partículas que es capaz de producir efectos o perturbaciones en otras partículas, sin que lleguen a tocarse, por ejemplo la atracción gravitacional, la repulsión o atracción magnética -entre lo que podemos ver a nivel macro- y las fuerzas que mantienen unidas a las partículas a nivel subatómico.

La materia no existía
Como dije antes la conjetura de Higgs es que la masa no existía antes del Big Bang, o sea no había materia y en el comienzo todas las partículas eran sin masa, solo energía como los fotones. La masa fue "adquirida" por las partículas como efecto del Big Bang, pero para cuadrar el modelo de Nambu deberían existir varias partículas sin masa, cosa que ningún experimento ha siquiera insinuado.

El mecanismo de Higgs
Higgs propuso un nuevo modelo explicativo conocido como "Mecánismo de Higgs" que después de ser rechazado y enmendado logró publicarse, creo que esto fue a mediados de los años sesenta. Desde entonces su idea se ha venido habriendo paso  y el gigantesco Colisionador de Hadrones que se armó en los ochentas y costó más de 10 billones de dólares, fue justificado en gran parte para probar la validez del mecanismo de Higgs.  

Higgs ahora es héroe pop
El mecanismo de Higgs, modifica la teoría de Nambu para superar el problema con el Teorema de Gladstone, en lugar de crearse muchas partículas sin masa, habría uno (conocido hoy como el Bosón de Higgs), lo caracterizó y predijo sus propiedades, entre las más notables su permeabilidad: al no tener masa ni carga puede atravesar todo lo que existe sin interactuar con nada, haciéndolo prácticamente indetectable con instrumentos o experimentos. Si se lograba detectar la existencia de este boson, se validaría el mecanismo de Higgs, el Modelo Standard quedaría completo y se explicaría la ruptura espontánea de la simetría de las fuerzas débiles. En julio de 2012 en el colisionador de hadrones del CERN se detectó la existencia del bosón de Higgs, en 2013 Higgs ganó el Nóbel. Hoy está forrado y es un super star de la física, como buen one-hit-wonder, tuvo el buen tino de retirarse en 1996.

El vacío
De esto no estoy seguro, porque no lo he leído en ningún lado, pero al menos lo intuyo: así como la masa es una propiedad característica de la materia, la energía podría ser una propiedad característica del vacío. Esto es solo una conjetura mía, tal vez sea algo conocido o tal vez no tenga nada que ver, pero es algo que se me ocurre en el momento. La naturaleza del vacío y sus mecanismos podría ser uno de los misterios más importantes a resolver. El vacío es simétrico y homogéneo ¿o no? ¿será la energía una distorsión del vacío? Quien sabe, hace tiempo leí unos artículos sobre el vacío y no entendí una sola palabra.

¿Universo o multiverso?
El documental que vi. en Netflix termina con una conjetura muy interesante. Resulta que hay dos corrientes de pensamiento distintas en física. La primera dice que las leyes de la física son únicas e iguales para todo lo que puede existir, o sea existe un universo (casi nadie ha notado la importancia del prefijo "uni" en esto). La segunda corriente dice que las leyes de la física pueden ser aleatoriamente distintas en distintos universos al nuestro. O sea podrían existir universos donde la velocidad de la luz no es una constante, donde no existe el Principio de Conservación de la Energía, etc. En lugar de un universo podrían existir mucho multiversos. En teoría no hay razones para preferir una u utra idea.

Lo entretenido es que el bosón de Higgs puede responder a la pregunta: dependiendo en que niveles de energía se ubique podría favorecer la idea de un universo con un solo conjunto de leyes o infinitos multiversos con un número infinito y aleatorio de leyes distintas. Hasta el momento los valores de energía encontrados lo colocan justo al medio, o sea la incógnita continúa.