EL MECANISMO DE HIGGS

EL MECANISMO DEL HIGGS

La confirmación del campo de Higgs fue determinante para la Física. Su mecanismo, que es capaz de explicar la masa de las partículas que la poseen sin romper la estructura del modelo estándar, merece una descripción detallada. Para ello, sin embargo, es necesario introducir primero varios conceptos clave.

Los campos en su mínimo de energía

Un campo físico tiene asociada una energía determinada según sea su configuración. Los campos están definidos en el espacio, en cada punto del cual pueden tener un valor u otro. Por ejemplo, si se mide la temperatura en cada punto de una habitación, se estará determinando el campo de temperaturas de la misma. Efectivamente, el campo de temperaturas puede cambiar sus valores y a eso se llama cambiar su configuración, su estado.

En el espacio vacío, los campos asociados a las partículas están en su mínimo de energía, en su estado de vacío, y su valor es cero en todos los puntos del espacio, excepto por pequeñas fluctuaciones inherentes a la Física cuántica. Como dicen los físicos, el valor esperado del vacío del campo es nulo. Esta situación es la que presentan los campos de las partículas como el campo electromagnético, el débil, los campos de quarks, etcétera. Las partículas no son más que excitaciones del campo cuántico al que están asociadas y para que aparezcan esas partículas de forma que sea posible detectarlas, debe proporcionarse energía al campo de manera que este abandone su mínimo de energía. Así que se puede decir que el vacío del campo es aquel estado en el que está en el mínimo de energía, vale cero en todos los puntos y no hay partículas presentes.

Sin embargo, la imagen descrita no es la única posible. Hay campos en los que para disponerlos en su configuración nula, cuando el campo tiene un valor esperado del vacío nulo y no aparecen partículas asociadas, hay que dotarlos de energía. En estos campos hay dos nociones de vacío que no son iguales al caso anterior. Por un lado, tenemos el estado sin partículas que no está en el mínimo de energía, lo que se llama falso vacío, y por otro, estados con partículas asociadas al campo que están presentes con la energía mínima del campo, estado que se conoce como vacío verdadero. El Higgs tiene estas dos nociones de vacío y pertenece a este tipo de campos.

Imaginemos un campo de Higgs en el Universo con esta forma de energía asociada. Evidentemente no puede estar en su configuración nula, en la que el campo vale cero en todo el espacio, debido a que dicha configuración es inestable. El campo está sujeto a fluctuaciones de origen cuántico que lo intentarán apartar de esa configuración. A la menor perturbación, el campo accederá a estados de menor energía y caerá inexorablemente al mínimo, al verdadero vacío.

Eso significa que, si es posible ir al estado de mínima energía en una región del espacio, se comprobará que todos los campos excepto el de Higgs no tienen partículas asociadas presentes en dicha región, o sea, que su configuración es nula. Pero el campo de Higgs no está en dicha configuración. En el vacío, el campo de Higgs no es nulo.

El campo de Higgs tiene cuatro partículas asociadas que se nombran como H+, H-, H⁰ y h. La partícula que es posible detectar es la h y su existencia implica que el mecanismo funciona. Las otras tres, dos cargadas eléctricamente y una neutra, no se detectan de forma directa pero su existencia está relacionada con la masa de las partículas.

Las dos formas en las que el Higgs da masa a las partículas

Las partículas del modelo estándar se pueden dividir en dos grandes grupos. Por un lado, las partículas que median las interacciones, que son el fotón, la W positiva y negativa, la Z⁰ y los gluones, y por otro, las partículas de la materia, es decir, quarks y leptones. Las partículas que tienen masa son las W, Z, los quarks y los leptones. Sin embargo, la forma de adquirir masa de las partículas W y Z y la de quarks y leptones a través del campo de Higgs es algo diferente.

Para las W y Z⁰, el mecanismo consiste en lo siguiente: al caer el Higgs a su mínimo de energía, aparecen cuatro tipos de partículas, las anteriormente indicadas H +, H-, H⁰ y h. Las partículas H, en cualquier variante de carga, tienen predilección por las W y las Z⁰ y se unen a ellas de forma indisoluble. Está unión hace que las W y la Z⁰ adquieran masa y que las H desaparezcan, que ya no se puedan detectar más allá del efecto de dotar de masa a dichas partículas. La partícula h no interactúa con los fotones y gluones y por eso estos no tienen masa, y sí es posible detectarla.

En el caso de quarks y leptones la situación es distinta. Lo que ocurre con estas partículas es que, debido a sus características, sienten la presencia del campo de Higgs, que impregna todo el espacio, e interactuar con él. Así que, si el campo de Higgs no existiera, quarks y leptones se moverían por el espacio a la velocidad de la luz, que es lo que implica no tener masa. Eso sería desastroso porque no se podrían formar protones, neutrones y en última instancia núcleos y átomos. Afortunadamente, cuando los quarks y los leptones se propagan de un sitio a otro, van interactuando con el campo de Higgs, el cual entorpece su paso y evita que viajen a la velocidad de la luz, lo que se interpreta como inercia, o en otras palabras, masa.

Esta es la forma en la que el campo de Higgs da masa a las diferentes partículas. No obstante, el mecanismo de Higgs explica por qué algunas partículas tienen masa, pero no por qué tienen la masa que tienen. Ese es un problema todavía no resuelto de la Física de partículas. Por último, debe insistirse en que toda esta construcción es consistente con la matemática del modelo estándar, que se ha encontrado a la partícula de Higgs, la h, en los experimentos y que todo el mecanismo depende de forma esencial de las propiedades del vacío.

No solo del Higgs vive la masa. El vacío de QCD

QCD es el acrónimo formado por las iniciales en inglés de cromodinámica cuántica, la teoría que describe la interacción entre quarks a partir de intercambios de gluones. Es esta interacción la que explica el 99% de la masa de los cuerpos físicos y que no tiene nada que ver con el campo de Higgs.

Es cierto que el campo de Higgs da masa a las partículas elementales que la tienen. Entre ellas los quarks up y down que forman los protones y los neutrones, que a su vez forman los núcleos de los átomos, y por supuesto, al electrón. La masa del electrón es en realidad despreciable, ya que es casi 2000 veces menor que la de los protones y los neutrones. Así que toda la masa de los cuerpos que nos rodean vienen casi exclusivamente de la masa de los núcleos de los átomos. Pero las masas de los quarks up y down solo contribuyen con una muy pequeña parte a la masa de los núcleos o de los protones y los neutrones.

La masa de los tres quarks que componen el protón, la que viene del campo de Higgs, solo puede justificar 1 % de la masa total del protón. Así pues, ¿de dónde viene el 99% restante de la masa?

La respuesta está en el vacío de QCD. La cuestión central es que todas las propiedades acerca del comportamiento del protón, como su carga eléctrica y su fuerte interacción, que le permite formar núcleos, se pueden explicar con solo los tres quarks up-up-down mencionados. Pero la masa no se puede explicar por ese procedimiento. Hay que tener en cuenta que los tres quarks esenciales del protón están condenados, como afirma la Cromodinámica cuántica, a estar confinados en un pequeño volumen. No se pueden separar mucho unos de otros porque la interacción que los une es tremendamente poderosa. Pero esos quarks están sondeando el vacío de forma continua, están en un volumen tan pequeño que se encuentran frecuentemente con fluctuaciones del vacío que crean y destruyen rápidamente quarks y gluones.

Por lo tanto, esos quarks están sujetos a una continua interacción con las fluctuaciones del vacío en forma de otros quarks y gluones, y eso genera energía, de forma análoga al efecto Casimir. Ahora bien, siguiendo las enseñanzas de Einstein, la masa es un aspecto equivalente de la energía, y una alta energía confinada en un volumen pequeño como un protón es interpretada como una gran cantidad de masa. De esta interacción de los quarks básicos del protón con el vacío lleno de quarks y gluones que aparecen y desaparecen, adquiere el protón el 99% de su masa.

Es sorprendente que aproximadamente el 99% de nuestra masa y la de los cuerpos que nos rodean no sea más que una manifestación del vacío dentro de los protones y los neutrones, pero esta idea teórica, que el protón es un objeto complicado y muy masivo debido a las fluctuaciones del vacío en su interior, ha sido comprobada experimentalmente.

El vacío del fin del mundo

Hasta aquí hemos visto que la razón para la existencia de algo tan cotidiano como la masa de las cosas radica en última instancia en el vacío, tal y como se entiende actualmente a la luz de la Física cuántica. Pero hay un problema que la Física aún tiene que resolver y es que toda la materia que nos rodea puede ser inestable en un sentido en particular.

La argumentación expuesta hasta ahora se fundamenta en que los campos descritos por la Física cuántica tienen asociadas partículas y en que se puede definir un estado de vacío de los mismos, el estado de mínima energía. Para los campos diferentes al Higgs, el estado de mínima energía corresponde a una situación en la que no hay partículas presentes del campo, para generarlas hay que dotar de energía al campo en cuestión. Se pueden tener, pues, electrones, si el campo electrónico se excita, y eso lo hace interactuando con el resto de campos. Pero a todos los efectos, la Física de todo cuanto nos rodea se describe como pequeñas variaciones en el vacío y pequeñas fluctuaciones del mismo. Por ejemplo, que el campo de Higgs caiga a su vacío es lo que permite la existencia de partículas H y la partícula h que detectamos en los aceleradores.

Ahora bien, aquí surge una cuestión interesante: ¿podemos asegurar que estamos en el mínimo real del campo, existe un estado con aún menos energía para el campo de Higgs? De ser así, el campo de Higgs podría pasar espontáneamente a ese estado de aún menor energía. El problema es que el paso al nuevo estado, la nueva configuración, modificaría el comportamiento del campo de Higgs y eso cambiaría la masa de todas nuestras partículas. Eso supondría un fenómeno dramático porque los átomos son estables debido, entre otras cosas, a que el electrón y las partículas W y Z tienen la masa que tienen. Si cambian las masas de estas partículas cambiarían tanto la química como las reacciones nucleares que se producen en nuestro Sol, haciendo inviable la vida.

El modelo estándar puede indicarnos si el vacío del campo de Higgs es estable, metaestable o inestable comparando los valores de la masa de dos de sus partículas, el quark top y la partícula de Higgs. Con los datos actuales en la mano, la teoría concluye que el vacío en el que nuestra Física tiene lugar es metaestable y que podría cambiar en cualquier momento si el campo de Higgs pasa a su estado de menor energía.

Afortunadamente no hay de que preocuparse. Todo lo anterior es cierto, pero también lo es que el modelo estándar, a pesar de ser una espléndida teoría que hace magníficas predicciones que después se confirman en los experimentos, no es la teoría final de la Física de partículas. El modelo estándar ha funcionado muy bien hasta las energías que se han sondeado experimentalmente, pero tiene problemas abiertos que requieren de nueva Física que se está explorando, conceptos como por ejemplo dimensiones extra o supersimetría. Además, el modelo estándar no incorpora la gravedad, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Cualquiera de estas nuevas Físicas podría cambiar el estudio de estabilidad del vacío. Así que hay que tomar eso como lo que es, un resultado preliminar en una teoría que se sabe que hay que superar en algún momento. Por otra parte, el Universo lleva estable 13.800 millones de años, así que aunque estuviésemos en una situación metaestable, la probabilidad de que haya un cambio de vacío justamente ahora es minúscula.

En definitiva, a pesar de haber avanzado mucho en la comprensión del vacío y de sus tan relevantes consecuencias, como dotar de masa a las partículas elementales a través del vacío del campo de Higgs, y los protones y los neutrones a través del vacío de QCD, todavía queda mucho por estudiar acerca de él y de su comportamiento.