Peter Higgs desarrolló la teoría matemática que explica la interacción del bosón que lleva su nombre

Cualquiera que no haya vivido en una cueva durante los últimos años habrá leído más de una noticia sobre el LHC, el Gran Colisionador de Hadrones que la UE con la colaboración de otros países ha construido en el CERN, en la frontera francosuiza, con el supuesto objetivo de reproducir la física del Big Bang. Pese a ello, y aún cuando la frase anterior ya le hace a uno levantar la ceja con escepticismo, no es esta empresa la que ha llevado a la fama absoluta al ciclotrón de Ginebra, si no el intento de búsqueda de la mal llamada por el periodismo Partícula de Dios: El Bosón de Higgs.  A pesar de que su nombre popular es completamente exagerado, sí es verdad que el bosón encargado de propagar el campo de Higgs juega un papel fundamental en la comprensión de la sopa de partículas que forma el Universo, pues sería el encargado de lo que se conoce como ruptura electrodebil, uno de los fenómenos más importantes en física y que explica el porqué los fotones no tienen masa mientras que los bosones W y Z sí.

Esta última afirmación puede parecer irrelevante a la vista de la gran variedad de masas que las distintas partículas poseen, pero en realidad constituye uno de los problemas aún sin resolver completamente en nuestro modelo de las interacciones fundamentales, pues cuando las energías son suficientementes altas, las interacciones electromagnética y débil se vuelven una sola, comportándose todos sus partículas transmisoras como partículas sin masa. Es decir, lo que a energías cotidianas observamos como dos fuerzas distintas, el electromagnetismo y la nuclear débil (causante de las desintegraciones radiactivas), cuando subimos la temperatura (equivalente  a darle más energía a las partículas) se confunden, haciendo indistinguible una interacción de la otra. Suena raro, lo se, pero es algo comprobado experimentalmente desde los años 60, pues las energías necesarias no son excesivamente altas. Así que surge la duda ¿por qué esto ocurre? ¿Qué clase de fenómeno se ocupa de dar masa a parte de los bosones (W Y Z) mientras el fotón se salva de engordar? Y aquí es donde aparece el dichoso Bosón de Higgs.

La interacción debil es la causante de las desintegraciones radiactivas

Para comprender este fenómeno, supongamos que tenemos un campo que propaga una interacción “parecida” al electromagnetismo por el espacio (o equivalentemente, que tenemos partículas transmisoras sin masa moviéndose de un punto a otro continuamente). Este campo, como todo lo que existe en física, tendrá una cierta energía potencial, cuyo mínimo (en vista a la naturaleza vaga del Universo) indicará el estado de equilibrio del campo. Es decir: la situación estable es aquella donde la energía potencial del campo es mínima. Además, en esta situación, su energía cinética será nula, pues el campo estará en equilibrio y no se moverá de ese punto. Por tanto, toda la energía que le quede al campo, la correspondiente al mínimo de la energía potencial, ha de ser unicamente debida a la masa en reposo de las partículas que lo propagan (recordad, E=mc^2); pero como estas no tienen masa,  este valor es cero. Sin embargo, si el mínimo de la energía potencial del campo tuviese otro valor, la partícula adquiriría masa al instante en situación recíproca. ¿Veis por qué camino vamos para explicar la ruptura electrodebil?

Un mínimo de energía con valor distinto de cero para el campo de Higgs obliga al campo EM a tener energía no nula y, por tanto, masa

Añadamos ahora al coctel un campo que se conoce como escalar y que no es más que una interacción propagada por partículas de spín cero, como el bosón de Higgs. Si este nuevo campo interactúa con el anterior, aparecerá una nueva contribución a la energía potencial que dependerá no sólo del valor del campo “electromagnético” si no también del valor del campo escalar. Y, ¿qué ocurriría si el valor de la energía del campo de Higgs que hemos introducido fuese distinto de cero en la posición de equilibrio? Pues que el valor del mínimo de energía de nuestro campo tipo EM también sería distinto de cero y adquiriendo sus partículas masa instantáneamente por mediación de este.

Esto es lo que creemos que ocurre en la naturaleza. De alguna manera, la interacción débil y electromagnética, que a altas energías son la misma, interactúan con un campo de Higgs de manera que parte de las componentes de la interacción original (las correspondientes a la débil) ven desplazado su mínimo de energía, adquiriendo masa sus partículas transmisoras, mientras que el fotón se salva del fenómeno. El gran problema de asumir que este mecanismo es la respuesta a la ruptura radica en que la masa del propio bosón de spin cero que propaga el campo de Higgs es un parámetro libre: basta con que exista y su masa no sea nula para que el mecanismo funcione, por lo que esta podría tener cualquier valor. Por ello, cada vez estamos construyendo aceleradores más grandes, que nos permitan obtener energía cada vez mayores, con la esperanza (en el asunto que nos atañe) de poder generar un bosón de Higgs en algún momento. De hecho, a día de hoy casi hemos recorrido el camino completo, pues tenemos acotada la masa de esta esquiva partícula tanto por arriba como por abajo, dejando las posibilidades en una estrecha franja, de tal manera que, si las predicciones de Francis se cumplen, el año que viene podríamos asistir a la publicación de este descubrimiento.

¿Encontrará el LHC el Bosón de Higgs?

Pero claro, muchos se preguntan qué pasaría si esto no ocurre y nunca encontramos el bosón de Higgs. El problema de esta posibilidad radica en que  el mecanismo de Higgs es algo muy natural. En el ejemplo que aquí os muestro, veis como un simple desplazamiento del mínimo de energía lo pone en acción, pero su aparición es aún más general en cualquier teoría que contemple una simetría entre partículas que, a cierta escala de energía esta rota, como puede ser la Supersimetría. Es decir, el mecanismo de Higgs es demasiado natural y fácil de obtener como para que no exista en la naturaleza y, sabemos por experiencia que las opciones que le damos, la naturaleza las coge. Pero claro quizás esta sea caprichosa y la respuesta al problema de la ruptura electrodebil sea mucho más complicada. Al fin y al cabo, salvo que el dichoso Higgs aparezca, aún no hemos encontrado ninguna partícula elemental de spin cero, pese a que son las que aparecen de manera más sencilla en la teoría.

Así que ya veis, estamos en una encrucijada, el bosón de Higgs es algo tan natural que debe existir, pero la naturaleza no tiene porqué plegarse a nuestros deseos.

Los cinturones de Van Allen (Visión de autor)

Cuando hablamos del Sol solemos referirnos a sus excelentes cualidades como benefactor de toda la vida en nuestro planeta. Nuestra estrella es el motor último en asuntos energéticos de cuanto conocemos, absolutamente todo ha venido de ella y de su nuclear capacidad de fusionar Hidrógeno en Helio. Sin embargo, estas mismas monumentales explosiones atómicas que tanto hacen a diario por nuestro moreno veraniego también son causantes de algunos de los daños más importantes que sufre nuestra pequeña canica azul. Hablo, por supuesto, de los daños debidos al viento solar.

Cuando dos átomos de Hidrógeno se unen en eterno matrimonio en el interior de nuestra querida estrella, el resultado no es sólo un pizpireto átomo de Helio, si no que se producen oleadas de energía en forma de neutrones despedidos a altas velocidades hacia las capas altas del astro. En su camino hacia la negrura del espacio, estos neutrones se encuentran con otros átomos, colisionando contra ellos y liberando sus electrones o, incluso, rompiendo sus núcleos. El resultado de todo este aventurero viaje es un plasma altamente energético compuesto de electrones, protones, neutrones y un gran número de fotones de alta energía; cuyo efecto sobre toda criatura viviente sería devastador y mortal.

Sin embargo, cuando nuestras mozas y chulos de playa preferidos se ponen a torrar sus cuerpos en la playa de turno, el único efecto que sobre ellos causa el Sol es un sencillo teñido, nada de dolorosas muertes cancerígenas ni combustiones espontáneas y espectaculares. ¿Qué es pues lo que nos protege de estos peligrosos efectos? ¿Acaso el viento solar evita a los chulos de playa tanto como las chicas de buena conducta?

La respuesta no es esa, si no que nuestro planeta (y prácticamente todos los de nuestro sistema solar) posee un estupendo escudo contra la radiación que nuestra estrella nos envía: su campo magnético.

La composición de la Tierra es muy variada, desde las rocosas capas externas, pasando por los semifluidos mantos y llegando al líquido núcleo, el cual está compuesto en su mayoría de hierro fundido, cuyos movimientos provocan una agitación de los electrones del metal lo suficientemente intensa como para generar un campo magnético que se extiende varios miles de kilómetros sobre la superficie del planeta; componiendo dos cinturones en forma cercana a un ocho, descubiertos en los años 50 por una de las primeras sondas que orbitaron nuestro planeta y conocidos como Cinturones de Van Allen.

Pero claro… de los cinturones de Van Allen ya se ha hablado largo y tendido en muchos sitios, de manera que sólo explicaré su función de una manera sencilla. Concretamente, los cinturones son capaces de retener en su interior las dañinas partículas cargadas que el Sol envía contra nosotros en forma de viento, permitiendo que la vida prospere en la superficie de la Tierra.

El quid de la cuestión es ¿cómo es capaz el campo magnético de la Tierra de atrapar estas partículas? ¿qué misteriosa ley física se lo permite? Pues bien, el efecto culpable de nuestra supervivencia es lo que se conoce como “Botella Magnética”.

Pongámonos en situación, supongamos una partícula viajando en el espacio con velocidad V=(vx,vy,vz) y un campo magnético uniforme B=(0,0,b).

Cuando una partícula con carga eléctrica se encuentra en una zona del espacio donde esté presente un campo magnético, aparecerá sobre ella una interacción conocida como Fuerza de Lorentz y cuyo efecto es dotar a la partícula de velocidad en una dirección perpendicular tanto a la velocidad inicial de la partícula como al campo magnético (que es un ente vectorial y, por tanto, tiene una dirección de aplicación).

La Fuerza de Lorentz provoca que la partícula se mueva en una circunferencia.

Efectivamente, aparece la Fuerza de Lorentz sobre la partícula, la cual tiene la forma

En este caso, con los vectores dados anteriormente, la fuerza tomará la forma:

Si os dais cuenta, esto presenta un comportamiento curioso, porque si el efecto de aplicar la fuerza es “girar” la velocidad y a su vez la fuerza depende de la dirección de esta, lo que obtendremos finalmente es un rizo, es decir, la fuerza comenzará a girar la velocidad de manera continua, obligando a la partícula a describir una circunferencia perpendicular a las lineas de campo magnético.

Como, además, la fuerza de interacción magnética no tiene efecto sobre componentes de la velocidad paralelas a las susodichas lineas, el efecto resultante es que la partícula describirá una espiral en torno a estas, quedando semiconfinada en esa región del espacio.

La dinámica de la partícula es fácil de ver si resolvemos las ecuaciones del movimiento. Teniendo en cuenta la segunda Ley de Newton, podemos escribir la fuerza anterior como:

De manera que obtenemos las tres ecuaciones del movimiento sin más que igualar ambas expresiones de forma vectorial:

La última ecuación nos indica directamente que la velocidad en el eje paralelo al campo es constante.

Las otras dos ecuaciones se pueden reescribir y resolver adecuadamente sin más que realizar una nueva derivada temporal en cada una. Para una partícula que en el instante inicial se encontrase en la posición (0,0,0) y cuya velocidad inicial V formase un ángulo θ con el eje x, el movimiento es de la forma:

Que no son más que las expresiones polares de una circunferencia de radio el módulo de la velocidad. Por tanto, la trayectoria completa será una espiral en torno al eje z, es decir, en torno a una de las lineas de campo magnético.

El efecto de Botella Magnética confina la partícula en torno a las líneas de campo.

De esta manera, cuando una de las partículas de viento solar se encuentra con los cinturones de Van Allen, inmediatamente se ve obligada a dar vueltas alrededor de las lineas de campo, evitándose así que llegue a la superficie y dañe la frágil vida de este pálido punto azul.

Como veis, el mecanismo de defensa de nuestro planeta antes estas severas amenazas es sencillo, pero efectivo; demostrando que, en ciencia, no hace falta irse a los campos de fuerza psíquica o demás maguferías para generar efectos impresionantemente desproporcionados, como es en este caso es el detener el viento solar provocado por la fusión nuclear de toda una señora estrella.

Pero el efecto de botella magnética no es sólo un proceso natural. Como todo en física, los humanos hemos aprendido a adaptar las situaciones a nuestros objetivos y este fenómeno se utiliza a menudo en varios campos de investigación. Tenemos, por ejemplo, en física de partículas, las archiconocidas Trampas de Penning, encargadas de confinar los preciados picogramos de antimateria que se producen todos los años en el CERN. También las naves de larga travesía y algunos satélites llevan generadores de campo magnético con el objetivo de protegerse de la dañina radiación.

Sin embargo, aún no hemos llegado a desarrollar nada tan impresionante como lo que la propia Tierra produce. Sencillamente…a veces la naturaleza es mucho más espectacular de lo que jamás podríamos relatar.