La mayoría de nosotros enseñamos en la escuela o en los libros que todos los materiales que nos rodean, todo lo que comemos, bebemos, respiramos, todos los seres vivos, la Tierra misma, están compuestos de átomos. Hay alrededor de 100 tipos de ellos, se llaman "elementos químicos" y generalmente se organizan en forma de moléculas, así como las letras se pueden organizar en palabras. Damos por sentado estos hechos relacionados con nuestro mundo, pero a finales del siglo XIX todavía había un acalorado debate sobre esto. Solo en la región de 1900, cuando, en base a varias conclusiones, se hizo posible calcular el tamaño de los átomos, y cuando se descubrió un electrón, una partícula subatómica que habita en los bordes de los átomos, finalmente se formó la imagen atómica del mundo.
Pero incluso hoy, algunas partes de esta imagen no son claramente visibles. Los rompecabezas permanecen sin resolver cien años. Y todo este bombo sobre el "bosón de Higgs" está directamente relacionado con estas preguntas profundas que están en el corazón de nuestra existencia. Pronto, las partes borrosas de nuestra imagen se aclararán y nos revelarán detalles sobre nuestro mundo que aún no nos quedan claros.
En la escuela, enseñamos que la masa de un átomo se debe principalmente a su pequeño núcleo. Los electrones que forman una nube borrosa alrededor del núcleo agregan a esta masa no más de una milésima parte de su parte. Pero lo que generalmente no nos dicen, a menos que estudiemos física en profundidad, es que el tamaño de un átomo depende principalmente de la masa del electrón. Si de alguna manera pudieras reducir la masa de un electrón, verías que los átomos han crecido y se han vuelto más frágiles. Reduzca la masa de un electrón mil veces, y los átomos se volverán tan frágiles que incluso el calor que queda del Big Bang puede destruirlos. Por lo tanto, toda la estructura y existencia de materiales ordinarios está relacionada con una pregunta aparentemente esotérica: ¿por qué los electrones tienen masa?
La masa del electrón y su origen han sido desconcertados por los físicos desde su primera medición. Muchos descubrimientos relacionados con otras partículas aparentemente elementales hechas en los últimos cien años complicaron y enriquecieron este acertijo. Primero, se descubrió que la luz también consiste en partículas llamadas fotones, que no tienen masa en absoluto. Entonces, el núcleo atómico consiste en partículas llamadas quarks, que tienen masa. Recientemente, encontramos signos de que los neutrinos, partículas evasivas que se mueven en los rebaños desde las entrañas del sol, también tienen una masa, aunque muy pequeña. Por lo tanto, la pregunta sobre el electrón pasó a la categoría de preguntas más amplias: ¿por qué las partículas, como los electrones, los quarks y los neutrinos, tienen masa, pero los fotones no?
A mediados del siglo pasado, los físicos aprendieron a escribir ecuaciones que predicen y describen el comportamiento de los electrones. Aunque no sabían de dónde provenía la masa del electrón, descubrieron que esta masa era bastante fácil de incorporar a las ecuaciones manualmente, y decidieron que una explicación completa de su origen aparecería algún tiempo después. Pero cuando profundizaron en el estudio de la interacción nuclear débil, uno de los cuatro conocidos en la naturaleza, tuvieron un problema grave.
Los físicos ya sabían que las fuerzas eléctricas están asociadas con los fotones, y luego se dieron cuenta de que la interacción débil está asociada con partículas llamadas "W" y "Z". Pero al mismo tiempo, las partículas W y Z tenían una diferencia con respecto al fotón en forma de masa: son comparables en masa con el átomo de estaño, más de cien mil veces más pesadas que el electrón. Desafortunadamente, los físicos descubrieron que no podían incorporar manualmente las masas de partículas W y Z en las ecuaciones: las ecuaciones resultantes dieron predicciones sin sentido. Y cuando estudiaron cómo la interacción débil afecta a los electrones, los quarks y los neutrinos, descubrieron que la antigua forma de introducir masa en las ecuaciones no funciona: también rompe todo el sistema.
Se necesitaban nuevas ideas para explicar cómo las partículas elementales conocidas pueden tener masa.
Este misterio se manifestó gradualmente en las décadas de 1950 y 1960. Y a principios de la década de 1960, apareció una posible solución: aquí nos encontramos con Peter Higgs y otros (Braut, Englert, Guralnik, Hagen y Kibble). Propusieron lo que ahora llamamos el "mecanismo de Higgs". Supongamos, dicen, que en la naturaleza hay un campo más desconocido hasta ahora, como todos los campos, es una cierta sustancia que existe en todas las áreas del espacio, no nula y homogénea en todo el espacio y el tiempo. Si este campo, ahora llamado campo de Higgs, es del tipo correcto, su presencia hará que las partículas W y Z exhiban masa, y también permitirá a los físicos devolver la masa de electrones a las ecuaciones. ¡Esto todavía pospondrá la pregunta de por qué la masa del electrón es tal, pero al menos entonces será posible escribir ecuaciones en las que la masa del electrón no sea igual a cero!
En las décadas que siguieron, la idea del mecanismo de Higgs se probó de muchas maneras. Hoy, a partir de estudios detallados de partículas W y Z, se sabe que la solución al rompecabezas que apareció debido a una interacción débil se encuentra en algún lugar de esta área. Pero los detalles de esta historia son desconocidos para nosotros.
¿Qué es el campo de Higgs, cómo entenderlo? Es invisible para nosotros y no lo sentimos, como un niño no siente aire, o como un pez - agua. Y aún más, porque si crecemos, comenzamos a darnos cuenta del flujo de aire alrededor de nuestros cuerpos y lo sentimos con la ayuda del tacto, ninguno de nuestros sentimientos nos da acceso al campo de Higgs. No solo no podemos detectarlo con la ayuda de los sentidos, sino que no podemos hacerlo directamente con la ayuda de instrumentos científicos. Entonces, ¿cómo podemos estar seguros de que existe? ¿Y cómo podemos esperar aprender algo sobre él?
La analogía entre el aire y el campo de Higgs funciona bien en el siguiente ejemplo: si perturba cualquiera de estos dos medios, vibrarán y crearán ondas. Es fácil crear tales ondas en el aire, puede gritar o aplaudir, y luego nuestros oídos encontrarán estas ondas en forma de sonido. En un campo de Higgs, crear olas es cada vez más difícil de observar. Para hacer esto, necesitas un acelerador de partículas gigante, Gran Colisionador de Hadrones. Y para detectarlos, necesita herramientas científicas del tamaño de una casa, por ejemplo, ATLAS o CMS.
Como funciona Aplaudir seguramente creará ondas de sonido fuertes. La colisión de dos protones de alta energía en el LHC creará ondas de Higgs muy tranquilas, aunque no necesariamente, esto conducirá a una sola colisión de diez mil millones. La onda resultante será la onda más tranquila posible en el campo de Higgs (en términos técnicos, un cuanto de este tipo de onda). Llamamos a esta onda la "partícula de Higgs" o el "bosón de Higgs".
A veces los medios lo llaman la "partícula de Dios". Este término fue acuñado por un editor para vender mejor su libro, por lo que proviene de la publicidad, no de la ciencia o la religión. Los científicos no usan este término.
Crear una partícula de Higgs es solo una parte del proceso y es relativamente fácil. Es mucho más difícil encontrarlo. Las ondas sonoras viajan libremente desde las palmas de las manos a través de la habitación hasta el oído de la otra persona. Y la partícula de Higgs se desintegra en otras más rápido de lo que puedes decir el bosón de Higgs. De hecho, más rápido de lo que toma la luz para pasar el diámetro de un átomo. ATLAS y CMS solo miden los remanentes de la partícula de Higgs explotada con el mayor cuidado posible e intentan rebobinar lo que sucedió, como los detectives desentrañando el caso en evidencia para determinar si la partícula de Higgs podría convertirse en la fuente de estos residuos.
De hecho, es aún más complicado. No es suficiente crear una partícula de Higgs, ya que sus restos no se pueden distinguir. A menudo, la colisión de dos protones conduce a la aparición de fragmentos similares a los que resultan de la descomposición de una partícula de Higgs. Entonces, ¿cómo establecemos que surgió una partícula de Higgs? La clave es que, aunque las partículas de Higgs son raras, sus restos aparecen con bastante regularidad, mientras que otros procesos ocurren con frecuencia, pero de manera más aleatoria. De la misma manera que su oído puede reconocer una voz de canto incluso a través de fuertes interferencias en la radio, los experimentadores pueden distinguir el sonido regular del campo de Higgs entre la cacofonía aleatoria creada por otros procesos similares.
Arrancar todo esto es extremadamente difícil y difícil. Pero esto se hizo en el marco del triunfo del ingenio humano.
¿Por qué, entonces, participar en tales hazañas hercúleas? Debido a la extrema importancia del campo de Higgs para nuestra propia existencia. Solo nuestra ignorancia sobre su origen y propiedades se puede comparar con esta importancia en tamaño. Ni siquiera sabemos si existe uno de esos campos; Puede haber varios. El campo de Higgs puede ser compuesto, y consta de otros campos. No sabemos por qué no es cero, y no sabemos por qué interactúa de manera diferente con diferentes partículas, y le da, por ejemplo, al electrón, que la masa no es lo mismo que la masa del quark superior. Dado que la masa juega un papel importante no solo en la determinación del tamaño de los átomos, sino también en muchas otras propiedades de la naturaleza, nuestra comprensión del Universo y de nosotros mismos no puede ser completa y satisfactoria, siempre y cuando el campo de Higgs siga siendo tan misterioso. El estudio de las partículas de Higgs, las olas en un campo de Higgs, nos dará un conocimiento profundo sobre la naturaleza de este campo, del mismo modo que puede aprender sobre el aire a partir de las ondas sonoras, sobre una piedra, al estudiar los terremotos y sobre el mar, al observar las olas en la playa.
Algunos de ustedes probablemente preguntarán (y con razón): todo esto es muy inspirador, pero ¿qué beneficio puede aportar a la sociedad en un sentido práctico? Puede que no te guste la respuesta. La historia ha demostrado que los beneficios sociales de investigar cuestiones fundamentales pueden no aparecer durante décadas, incluso un siglo. Sospecho que usaste una computadora hoy. Dudo que cuando Thompson descubriera los electrones en 1897, alguien en su círculo podría haber adivinado cuánto electrónica podría cambiar la sociedad. No esperamos introducir la tecnología del próximo siglo, o cómo el conocimiento aparentemente esotérico adquirido hoy puede afectar el futuro distante. Invertir en investigación básica siempre es una apuesta, pero se basa en el conocimiento. En el peor de los casos, aprendemos algo profundo e inesperado en la naturaleza. Tal conocimiento, aunque no es valioso en términos monetarios, no tiene precio en ambos sentidos.
Por brevedad, simplifiqué algo. No todo tenía que ser así. Era posible que no se pudieran detectar las olas en el campo de Higgs, podría recordar un intento de crear olas en un lago de asfalto o en almíbar espeso. Las olas podrían desvanecerse antes de que estén completamente formadas. Pero sabemos lo suficiente sobre las partículas de la naturaleza para saber que tal opción sería posible solo si hubiera otras partículas e interacciones no descubiertas, y algunas de ellas ciertamente podrían encontrarse en el LHC. O bien las partículas de Higgs podrían existir, pero de tal manera que sería mucho más difícil de producir, o podría desintegrarse de alguna manera inesperada. En todos estos casos, podrían haber pasado varios años más antes de que el campo de Higgs comenzara a revelar sus secretos. Así que estábamos listos para esperar, aunque esperábamos no tener que explicar a los medios de comunicación todas estas dificultades.
Pero estábamos preocupados en vano.
El descubrimiento de la partícula de Higgs es un punto de inflexión en la historia. El triunfo de quienes propusieron el mecanismo de Higgs y los que trabajan en el LHC, ATLAS y CMS. Pero no significa que se completen nuestros acertijos asociados con la masa de partículas conocidas; este es solo el comienzo de nuestra esperanza de resolver estos acertijos. En el futuro, aumentará la energía y la cantidad de colisiones en el LHC, y ATLAS y CMS estudiarán de manera integral y sistemática la partícula de Higgs. Lo que aprenden puede permitirnos resolver los misterios de este océano productor de masas, en el que todos nadamos, y dirigirnos a lo largo del camino épico que comenzó hace más de cien años, que puede llevar décadas y siglos, y se extiende más allá de nuestra corriente. horizontes