El Bosón de Higgs: Entre la Ciencia y el descubrimiento de la 'Partícula de Dios'

En el año 2012 fue descubierta una nueva partícula que representó un gran avance en la física de partículas y que juega un papel fundamental en el modelo estándar. Fue propuesta por Peter Higgs en el año 1964 tras la publicación de un estudio que llamó la atención por introducir este nuevo concepto, el cual llevaba su nombre, la propuesta tenía la finalidad de dar respuesta a una de las mayores interrogantes del momento para los físicos, ¿Cómo se origina la masa? A lo largo de este artículo se dará respuesta a este cuestionamiento y a la importancia que tuvo el descubrimiento de ésta partícula para mejorar nuestra comprensión del universo.

Fig. 1 Bosón de Higgs

¿Qué es el Bosón de Higgs?

El bosón de Higgs es una partícula elemental cuyo descubrimiento nos permitió entender cómo se origina la masa de aquellas párticulas que conforman nuestro universo.

El bosón de Higgs también es conocido como la "Partícula de Dios", este apodo fue utilizado como una estrategia de marketing para atraer la atención del público el día de su descubrimiento, sin embargo, esta partícula no está relacionada con Dios ni mucho menos, en realidad, muchos físicos cuestionan su apodo debido a la gran confusión religiosa que genera.

Para poder entender mejor al bosón de Higgs, es necesario conocer las partículas que conforman todo lo que nos rodea, los átomos, que a su vez, estos están formados por otras partículas aún más pequeñas (partículas elementales) que al interactuar entre ellas por medio de "unas fuerzas", dan lugar al universo que conocemos, éstas fuerzas, son las cuatro fuerzas fundamentales del universo, las cuales están dadas por: fuerza electromagnética, fuerza nuclear fuerte, fuerza nuclear débil y fuerza gravitatoria.

En la segunda mitad del siglo XX se terminó de desarrollar el modelo estándar de la física, una teoría que pretende explicar cómo las partículas elementales interactúan con las fuerzas fundamentales del universo, pero, ¿cómo se relaciona el modelo estándar con el bosón de Higgs?

Modelo estándar

El modelo estándar logra explicar la naturaleza elemental de la materia y de las fuerzas, dividiendo a las partículas en dos grupos:

Fermiones: Son las partículas que constituyen la materia, es decir, todo lo que vemos está hecho de fermiones, según cómo se combinen, forman distintos átomos, los fermiones a su vez se dividen en dos familias: quarks y leptones.

Bosones: Son las partículas que permiten interactuar con los fermiones por medio de una de las tres fuerzas fundamentales del universo (ya que hasta ahora no se ha podido encontrar una partícula que explique la fuerza gravitatoria), y, antes del descubrimiento del bosón de Higgs, se conocían cuatro tipos: fotón, gluón, bosón z y bosón w.

Fig. 2 Modelo estándar actual

En los años 60 se presentó un problema que nos impedía entender de dónde proviene la masa de la materia, es decir, su origen. Los científicos no sabían dar respuesta a esto, sin embargo, en 1964 se publicó el artículo "Broken Symmetries and the masses of gauce bosons” firmado por el físico Peter Higgs, el artículo llamó la atención principalmente ya que por primera vez se proponía la existencia de un campo en el universo al que llamó "campo de Higgs".

El Campo de Higgs y la Teoría Cuántica de Campos

El campo de Higgs es un campo cuántico, es decir, una especie de tela invisible que se extiende por todo el espacio, sin embargo, éste no sería el único campo que impregna el universo, ya que la teoría cuántica de campos describe la existencia de las partículas elementales y las cuatro fuerzas fundamentales, como el resultado de perturbaciones en una serie de campos que impregnan todo el espacio, es decir, cada partícula del modelo estándar estaría asociada a su propio campo cuántico, donde las partículas serían perturbaciones puntuales dentro de esas telas invisibles que permean todo el universo. Es por esto que tanto el campo de Higgs como el bosón de Higgs están relacionados, puesto que las perturbaciones de este campo, dan lugar a la aparición de esta partícula.

Cuando las partículas interaccionan con el campo de Higgs, encuentran una oposición al cambio de movimiento, en este sentido, la masa son partículas siendo ralentizadas por el campo de Higgs, por lo tanto, ciertas partículas tienen más complicación para moverse dentro de este campo, y de esta ralentización surge la masa.

Las partículas que más interactúan con el campo de Higgs son las más masivas, mientras que las que menos interactúan son menos masivas, por ejemplo, los quarks del modelo estándar, son las partículas más masivas debido a que son las que interactúan más con este campo, mientras que los fotones no tienen masa ya que son las partículas que menos interactúan con él.

Para entender mejor esto último, utilicemos la siguiente analogía, piensa en un salón lleno de personas, imagina a un personaje famoso entrando por la puerta del salón, sin duda este gran número de personas irá hacia él amontonándose, haciendo que se le sea difícil caminar por el lugar, ralentizando su movimiento. Ahora imagina que entras tú por esa puerta, realmente nadie te conoce, por lo que nadie iría hacia tí y no se ralentizará tu movimiento. Las personas vendrían siendo el campo de Higgs, el personaje famoso un quark y tú, un fotón.

Fig.3 Representación del Campo de Higgs

El día que se confirmó su descubrimiento

El bosón de Higgs era la pieza que debíamos buscar para asegurar que el campo de Higgs existía, esta idea la propuso la Organización Europea para Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), es así como se diseñaron los experimentos ATLAS y CMS con el objetivo de encontrar el bosón de Higgs.

Para agitar el campo de Higgs y producir los bosones se debe concentrar una alta energía en un punto muy pequeño, esto se consigue con el Gran Colisionador de Hadrones (también conocido como LHC, por sus siglas en inglés), el LHC es un acelerador de partículas que se encuentra ubicado en el CERN, un túnel que forma una circunferencia de 27 km y que tiene una profundidad media de 100 metros, éste permite colisionar partículas a velocidades cercanas a la de la luz.

Finalmente el 4 de julio de 2012 luego de que los experimentos ATLAS Y CMS del LHC, presentaran datos que verificaban su existencia, el CERN anunció el descubrimiento del bosón de Higgs, la última pieza del modelo estándar propuesta en los años 60 y recién completado con ese descubrimiento.

Fig. 4 Gran Colisionador de Hadrones

El 8 de octubre de 2013, casi 50 años después de que se propusiera su existencia, Peter Higgs recibió el premio Nóbel de Física por haber descubierto la partícula que demostraba la existencia del campo de Higgs, un campo cuántico que impregnaba todo el universo y que daba masa a las partículas elementales al interactuar con ellas, si la materia existe en el universo es gracias al campo de Higgs.

El bosón de Higgs definitivamente no es la partícula de Dios ni está cerca de serlo, sin embargo, su descubrimiento representó uno de los mayores hitos de la ciencia, pues nos ayudó a comprender el origen de la existencia de nuestro universo.

Fig.5 Peter Higgs recibiendo el premio Nobel de física, 10 de diciembre de 2013

Bibliografía:

1. Bertran Prieto, P. (2021, 12 mayo). ¿Qué es el Bosón de Higgs? Medicoplus.com. https://medicoplus.com/ciencia/que-es-el-boson-de-higgs
   

2. BBC News Mundo. (2022, 2 julio). Cómo el bosón de Higgs cambió nuestra comprensión del universo (y por qué le arruinó la vida al físico que lo descubrió). BBC News Mundo. https://www.bbc.com/mundo/noticias-61983372

3. CPAN - Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear. (s. f.). CPAN - Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear. https://www.i-cpan.es/detallePregunta.php?id=1
   

4. El Bosón de Higgs: La partícula de Dios | StudySmarter. (s. f.). StudySmarter ES. https://www.studysmarter.es/resumenes/quimica/atomos-y-moleculas/el-boson-de-higgs/
   

5. Gelmini, Graciela. (2014). El boson de Higgs. https://www.researchgate.net/publication/263736530_El_boson_de_Higgs/citation/download
   

6. Interesante, M. (2022, 4 julio). ¿Qué es el bosón de Higgs? Muy Interesante. https://www.muyinteresante.com.mx/preguntas-y-respuestas/15610.html
   

7. Marcos, L. (2023, 18 enero). ¿Qué es el bosón de Higgs? Por fin vas a entenderlo. Esquire. https://www.esquire.com/es/ciencia/a42348380/boson-de-higgs-que-es/

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