Nota del editor: el 8 de octubre de 2013, Peter Higgs y Francois Englert ganaron el Premio Nobel de Física por su trabajo en el bosón de Higgs. A continuación, nuestro columnista científico Brian Greene explica la ciencia detrás del descubrimiento.
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El detector ATLAS, uno de los dos experimentos para detectar el escurridizo bosón de Higgs en choques de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, pesa hasta cien 747 aviones y alberga más de 1, 800 millas de cable. (Claudia Marcelloni / CERN) 
El solenoide de muón compacto en el Gran Colisionador de Hadrones atrapa partículas en el acto. (Michael Hoch / CERN) 
De vuelta al tablero de dibujo: el físico Peter Higgs garabatea su famosa ecuación que describe la fuente de la masa de una partícula. Tardaría medio siglo en ser cierto. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
El equipo trabaja con el detector ATLAS, uno de los dos experimentos para detectar el escurridizo bosón de Higgs en choques de partículas. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Antes de la instalación, partes del detector CMS vivían en una sala de limpieza en el CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
El imán en el detector CMS produce un campo magnético 100, 000 veces más fuerte que el de la Tierra. (Gobin / CERN) 
Un primer plano del detector CMS, uno de los dos experimentos para detectar firmas del bosón de Higgs. (Gobin / CERN) 
Aunque el bosón de Higgs parece ser demasiado breve para ser detectado directamente, los físicos del CMS pueden inferir su existencia al estudiar las lluvias de partículas que quedan después de las colisiones protón-protón. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
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Una historia famosa en los anales de la física cuenta que Albert Einstein, de 5 años, enfermo en la cama, recibió una brújula de juguete de su padre. El niño estaba desconcertado y fascinado por las fuerzas invisibles en el trabajo, redirigiendo la aguja de la brújula para que apunte hacia el norte cada vez que se altera su posición de descanso. Esa experiencia, diría más tarde Einstein, lo convenció de que había un profundo orden oculto en la naturaleza, y lo impulsó a pasar su vida tratando de revelarlo.
Aunque la historia tiene más de un siglo de antigüedad, el enigma que encontró el joven Einstein resuena con un tema clave en la física contemporánea, uno que es esencial para el logro experimental más importante en el campo de los últimos 50 años: el descubrimiento, hace un año en julio, del bosón de Higgs.
Dejame explicar.
La ciencia en general, y la física en particular, buscan patrones. Estira un resorte dos veces más lejos y siente el doble de resistencia. Un patrón. Aumente el volumen que ocupa un objeto mientras mantiene su masa fija, y cuanto más alto flote en el agua. Un patrón. Al observar cuidadosamente los patrones, los investigadores descubren leyes físicas que se pueden expresar en el lenguaje de las ecuaciones matemáticas.
Un patrón claro también es evidente en el caso de una brújula: muévalo y la aguja apunta al norte nuevamente. Me imagino a un joven Einstein pensando que debe haber una ley general que estipule que las agujas metálicas suspendidas se empujan hacia el norte. Pero no existe tal ley. Cuando hay un campo magnético en una región, ciertos objetos metálicos experimentan una fuerza que los alinea a lo largo de la dirección del campo, sea cual sea esa dirección. Y el campo magnético de la Tierra apunta al norte.
El ejemplo es simple pero la lección profunda. Los patrones de la naturaleza a veces reflejan dos características entrelazadas: leyes físicas fundamentales e influencias ambientales. Es la versión de la naturaleza de la naturaleza versus la crianza. En el caso de una brújula, desenredar los dos no es difícil. Al manipularlo con un imán, concluye fácilmente que la orientación del imán determina la dirección de la aguja. Pero puede haber otras situaciones en las que las influencias ambientales son tan generalizadas y, por lo tanto, más allá de nuestra capacidad de manipulación, sería mucho más difícil reconocer su influencia.
Los físicos cuentan una parábola sobre los peces que investigan las leyes de la física, pero que están tan acostumbrados a su mundo acuático que no consideran su influencia. Los peces luchan poderosamente para explicar el suave balanceo de las plantas, así como su propia locomoción. Las leyes que finalmente encuentran son complejas y difíciles de manejar. Entonces, un pez brillante tiene un gran avance. Tal vez la complejidad refleja leyes fundamentales simples que actúan en un entorno complejo, uno que está lleno de un fluido viscoso, incompresible y penetrante: el océano. Al principio, el perspicaz pez es ignorado, incluso ridiculizado. Pero lentamente, los demás también se dan cuenta de que su entorno, a pesar de su familiaridad, tiene un impacto significativo en todo lo que observan.
¿La parábola se acerca más a casa de lo que podríamos haber pensado? ¿Podría haber otras características sutiles pero omnipresentes del entorno que, hasta ahora, no hemos logrado incorporar adecuadamente a nuestro entendimiento? El descubrimiento de la partícula de Higgs por el Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra ha convencido a los físicos de que la respuesta es un rotundo sí.
Hace casi medio siglo, Peter Higgs y un puñado de otros físicos intentaban comprender el origen de una característica física básica: la masa. Puedes pensar en la masa como el peso de un objeto o, un poco más precisamente, como la resistencia que ofrece para cambiar su movimiento. Presione un tren de carga (o una pluma) para aumentar su velocidad, y la resistencia que siente refleja su masa. A nivel microscópico, la masa del tren de carga proviene de sus moléculas y átomos constituyentes, que a su vez están construidos a partir de partículas fundamentales, electrones y quarks. Pero, ¿de dónde vienen las masas de estas y otras partículas fundamentales?
Cuando los físicos en la década de 1960 modelaron el comportamiento de estas partículas utilizando ecuaciones enraizadas en la física cuántica, encontraron un enigma. Si imaginaban que las partículas no tenían masa, entonces cada término en las ecuaciones hacía clic en un patrón perfectamente simétrico, como las puntas de un copo de nieve perfecto. Y esta simetría no era solo matemáticamente elegante. Explicó patrones evidentes en los datos experimentales. Pero, y aquí está el enigma, los físicos sabían que las partículas tenían masa, y cuando modificaron las ecuaciones para dar cuenta de este hecho, la armonía matemática se echó a perder. Las ecuaciones se volvieron complejas y difíciles de manejar y, peor aún, inconsistentes.
¿Qué hacer? Aquí está la idea presentada por Higgs. No empujes las masas de partículas por la garganta de las hermosas ecuaciones. En cambio, mantenga las ecuaciones prístinas y simétricas, pero considérelas operando dentro de un entorno peculiar. Imagine que todo el espacio se llena uniformemente con una sustancia invisible, ahora llamada campo de Higgs, que ejerce una fuerza de arrastre sobre las partículas cuando aceleran a través de él. Empuje una partícula fundamental en un esfuerzo por aumentar su velocidad y, según Higgs, sentiría esta fuerza de arrastre como una resistencia. Justificadamente, interpretarías la resistencia como la masa de la partícula. Para un punto de apoyo mental, piense en una pelota de ping-pong sumergida en agua. Cuando empujas la pelota de ping-pong, se sentirá mucho más masiva que fuera del agua. Su interacción con el entorno acuoso tiene el efecto de dotarlo de masa. Entonces, con partículas sumergidas en el campo de Higgs.
En 1964, Higgs envió un artículo a una destacada revista de física en la que formuló esta idea matemáticamente. El papel fue rechazado. No porque contuviera un error técnico, sino porque la premisa de algo invisible que permea el espacio, que interactúa con las partículas para proporcionar su masa, bueno, todo parecía un montón de especulación sobrecargada. Los editores de la revista lo consideraron "sin relevancia obvia para la física".
Pero Higgs perseveró (y su artículo revisado apareció más tarde ese año en otra revista), y los físicos que se tomaron el tiempo para estudiar la propuesta gradualmente se dieron cuenta de que su idea era un golpe de genio, uno que les permitía tener su pastel y comérselo también. . En el esquema de Higgs, las ecuaciones fundamentales pueden conservar su forma prístina porque el trabajo sucio de proporcionar las masas de las partículas queda relegado al medio ambiente.
Si bien no estaba presente para presenciar el rechazo inicial de la propuesta de Higgs en 1964 (bueno, estaba presente, pero apenas), puedo dar fe de que a mediados de la década de 1980, la evaluación había cambiado. La comunidad de la física, en su mayor parte, había aceptado totalmente la idea de que había un campo de Higgs que impregnaba el espacio. De hecho, en un curso de posgrado que tomé eso cubrió lo que se conoce como el Modelo Estándar de Física de Partículas (las ecuaciones cuánticas que los físicos han reunido para describir las partículas de materia y las fuerzas dominantes por las cuales se influyen entre sí), el profesor presentó el Higgs campo con tanta certeza que durante mucho tiempo no tenía idea de que aún no se había establecido experimentalmente. En ocasiones, eso sucede en física. Las ecuaciones matemáticas a veces pueden contar una historia tan convincente, que aparentemente pueden irradiar la realidad con tanta fuerza, que se atrincheran en la lengua vernácula de los físicos que trabajan, incluso antes de que haya datos para confirmarlos.
Pero solo con los datos se puede forjar un vínculo con la realidad. ¿Cómo podemos probar el campo de Higgs? Aquí es donde entra en juego el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Se abre camino cientos de metros bajo Ginebra, Suiza, cruzando la frontera francesa y de regreso, el LHC es un túnel circular de casi 17 millas de largo que sirve como pista de carreras para aplastando partículas de materia. El LHC está rodeado por cerca de 9, 000 imanes superconductores, y es el hogar de hordas de protones que fluyen alrededor del túnel en ambas direcciones, lo que los imanes aceleran a la velocidad de la luz. A tales velocidades, los protones azotan el túnel alrededor de 11, 000 veces por segundo, y cuando son dirigidos por los imanes, se involucran en millones de colisiones en un abrir y cerrar de ojos. Las colisiones, a su vez, producen aerosoles de partículas similares a fuegos artificiales, que los detectores de mamut capturan y registran.
Una de las principales motivaciones para el LHC, que costó alrededor de $ 10 mil millones e involucra a miles de científicos de docenas de países, fue buscar evidencia para el campo de Higgs. Las matemáticas mostraron que si la idea es correcta, si realmente estamos inmersos en un océano del campo de Higgs, entonces las violentas colisiones de partículas deberían ser capaces de sacudir el campo, de la misma manera que dos submarinos en colisión sacudirían el agua a su alrededor. Y de vez en cuando, la sacudida debería ser la correcta para quitar una mota del campo, una pequeña gota del océano de Higgs, que aparecería como la partícula de Higgs largamente buscada.
Los cálculos también mostraron que la partícula de Higgs sería inestable y se desintegraría en otras partículas en una fracción minúscula de segundo. Dentro de la vorágine de partículas colisionantes y nubes ondulantes de partículas, los científicos armados con computadoras poderosas buscarían la huella digital de Higgs, un patrón de productos de descomposición dictados por las ecuaciones.
En la madrugada del 4 de julio de 2012, me reuní con otros 20 incondicionales en una sala de conferencias en el Centro de Física de Aspen para ver la transmisión en vivo de una conferencia de prensa en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra. Aproximadamente seis meses antes, dos equipos independientes de investigadores encargados de recopilar y analizar los datos del LHC habían anunciado una fuerte indicación de que se había encontrado la partícula de Higgs. El rumor que ahora circulaba por la comunidad de física era que los equipos finalmente tenían evidencia suficiente para presentar una afirmación definitiva. Junto con el hecho de que se le había pedido al propio Peter Higgs que hiciera el viaje a Ginebra, había una gran motivación para permanecer despierto después de las 3 de la mañana para escuchar el anuncio en vivo.
Y a medida que el mundo llegó a aprender rápidamente, la evidencia de que se había detectado la partícula de Higgs fue lo suficientemente fuerte como para cruzar el umbral del descubrimiento. Con la partícula de Higgs ahora oficialmente encontrada, la audiencia en Ginebra estalló en aplausos, al igual que nuestro pequeño grupo en Aspen, y sin duda docenas de reuniones similares en todo el mundo. Peter Higgs se limpió una lágrima.
Con un año de retrospectiva y datos adicionales que solo han servido para fortalecer el caso de Higgs, he aquí cómo resumiría las implicaciones más importantes del descubrimiento.
Primero, hace tiempo que sabemos que hay habitantes invisibles en el espacio. Ondas de radio y televisión. El campo magnético de la Tierra. Campos gravitacionales. Pero ninguno de estos es permanente. Ninguno es inmutable. Ninguno está uniformemente presente en todo el universo. En este sentido, el campo de Higgs es fundamentalmente diferente. Creemos que su valor es el mismo en la Tierra que cerca de Saturno, en las nebulosas de Orión, en toda la galaxia de Andrómeda y en todas partes. Por lo que podemos ver, el campo de Higgs está impreso indeleblemente en la estructura espacial.
En segundo lugar, la partícula de Higgs representa una nueva forma de materia, que se había anticipado ampliamente durante décadas pero que nunca se había visto. A principios del siglo XX, los físicos se dieron cuenta de que las partículas, además de su masa y carga eléctrica, tienen una tercera característica definitoria: su giro. Pero a diferencia de la parte superior de un niño, el giro de una partícula es una característica intrínseca que no cambia; no se acelera ni disminuye con el tiempo. Todos los electrones y quarks tienen el mismo valor de giro, mientras que el giro de los fotones (partículas de luz) es el doble que el de los electrones y quarks. Las ecuaciones que describen la partícula de Higgs mostraron que, a diferencia de cualquier otra especie de partícula fundamental, no debería tener ningún giro. Los datos del Gran Colisionador de Hadrones ahora han confirmado esto.
Establecer la existencia de una nueva forma de materia es un logro raro, pero el resultado tiene resonancia en otro campo: la cosmología, el estudio científico de cómo comenzó y se desarrolló todo el universo en la forma que ahora presenciamos. Durante muchos años, los cosmólogos que estudiaban la teoría del Big Bang quedaron bloqueados. Habían reunido una descripción robusta de cómo evolucionó el universo desde una fracción de segundo después del comienzo, pero no pudieron dar una idea de lo que impulsó el espacio para comenzar a expandirse en primer lugar. ¿Qué fuerza podría haber ejercido un empuje exterior tan poderoso? A pesar de todo su éxito, la teoría del Big Bang dejó de lado la explosión.
En la década de 1980, se descubrió una posible solución, una que hace sonar una campana de Higgsian. Si una región del espacio está uniformemente cubierta con un campo cuyos constituyentes particulados no tienen espín, entonces la teoría de la gravedad de Einstein (la teoría general de la relatividad) revela que se puede generar una poderosa fuerza repulsiva, una explosión y una gran. Los cálculos mostraron que era difícil realizar esta idea con el campo de Higgs en sí; El doble deber de proporcionar masas de partículas y alimentar la explosión demuestra una carga sustancial. Pero los científicos perspicaces se dieron cuenta de que al colocar un segundo campo "similar a Higgs" (que poseía el mismo giro de desaparición, pero diferentes masas e interacciones), podían dividir la carga, un campo para la masa y el otro para el empuje repulsivo, y ofrecer un Explicación convincente de la explosión. Debido a esto, durante más de 30 años, los físicos teóricos han estado explorando enérgicamente las teorías cosmológicas en las que estos campos similares a Higgs juegan un papel esencial. Se han escrito miles de artículos de revistas desarrollando estas ideas, y se han gastado miles de millones de dólares en observaciones en el espacio profundo buscando y encontrando evidencia indirecta de que estas teorías describen con precisión nuestro universo. La confirmación del LHC de que al menos uno de esos campos existe realmente pone a una generación de teorías cosmológicas sobre una base mucho más firme.
Finalmente, y quizás lo más importante, el descubrimiento de la partícula de Higgs es un asombroso triunfo del poder de las matemáticas para revelar el funcionamiento del universo. Es una historia que ha sido recapitulada en física en numerosas ocasiones, pero cada nuevo ejemplo emociona igual. La posibilidad de agujeros negros surgió de los análisis matemáticos del físico alemán Karl Schwarzchild; observaciones posteriores demostraron que los agujeros negros son reales. La cosmología del Big Bang surgió de los análisis matemáticos de Alexander Friedmann y también de Georges Lemaître; observaciones posteriores demostraron que esta idea era correcta también. El concepto de antimateria surgió por primera vez de los análisis matemáticos del físico cuántico Paul Dirac; experimentos posteriores demostraron que esta idea también es correcta. Estos ejemplos dan una idea de lo que el gran físico matemático Eugene Wigner quiso decir cuando habló de la "efectividad irracional de las matemáticas en la descripción del universo físico". El campo de Higgs surgió de los estudios matemáticos que buscaban un mecanismo para dotar a las partículas de masa. Y una vez más, las matemáticas han salido con gran éxito.
Como físico teórico, uno de los muchos dedicados a encontrar lo que Einstein llamó la "teoría unificada": las conexiones profundamente ocultas entre todas las fuerzas de la naturaleza y la materia con las que Einstein soñó, mucho después de engancharse a la física por el misterioso funcionamiento de la brújula. —El descubrimiento del Higgs es especialmente gratificante. Nuestro trabajo está impulsado por las matemáticas, y hasta ahora no ha hecho contacto con datos experimentales. Estamos esperando ansiosamente 2015 cuando se vuelva a encender un LHC actualizado y aún más potente, ya que existe una gran posibilidad de que los nuevos datos proporcionen evidencia de que nuestras teorías van en la dirección correcta. Los hitos principales incluirían el descubrimiento de una clase de partículas hasta ahora invisibles (llamadas partículas "supersimétricas") que nuestras ecuaciones predicen, o indicios de la posibilidad salvaje de dimensiones espaciales más allá de las tres que todos experimentamos. Más emocionante aún sería el descubrimiento de algo completamente inesperado, enviándonos a todos corriendo a nuestras pizarras.
Muchos de nosotros hemos estado tratando de escalar estas montañas matemáticas durante 30 años, algunos incluso más. A veces hemos sentido que la teoría unificada estaba más allá de nuestras manos, mientras que otras veces estamos realmente a tientas en la oscuridad. Es un gran impulso para nuestra generación presenciar la confirmación del Higgs, presenciar percepciones matemáticas de cuatro décadas de antigüedad realizadas como crujidos en los detectores del LHC. Nos recuerda tomar en serio las palabras del premio Nobel Steven Weinberg: “Nuestro error no es que tomamos nuestras teorías demasiado en serio, pero no las tomamos lo suficientemente en serio. Siempre es difícil darse cuenta de que estos números y ecuaciones con los que jugamos en nuestros escritorios tienen algo que ver con el mundo real ”. A veces, esos números y ecuaciones tienen una capacidad extraña, casi misteriosa, para iluminar rincones de la realidad que de otro modo serían oscuros. Cuando lo hacen, nos acercamos mucho más a nuestro lugar en el cosmos.
