Desde que, siendo unos retoños, empezamos a interaccionar con el mundo que nos rodea nos familiarizamos con la masa de los objetos. Nos resulta sencillo desplazar la pelota de goma, pero se nos hace imposible mover el armario. Rápidamente asociamos el concepto de masa al de inercia, concepto, éste último, que tenemos tan interiorizado que nos resulta tremendamente intuitivo, incontestable.
La masa de todo lo que nos rodea es (dejando de lado el rigor de importantes detalles en aras de hacer el razonamiento más intuitivo) la suma de las masas de todas esas partículas diminutas, invisibles, de las que están hechos, de las que estamos hechos.
El bosón de Higgs no se puede detectar directamente. Esta partícula altamente inestable se desintegraría de forma casi inmediata dando lugar a otras partículas más comunes.
Explicar cual es el origen de la masa de las particulas, no es tarea fácil
Es razonable pensar que existe un mecanismo que hace que unas partículas experimenten una inercia diferente de otras, por lo que sus masas serán de diferente magnitud.
Como cualquier otra cosa en la mecánica cuántica —la física de lo muy pequeño—, el bosón de Higgs tiene una naturaleza dual: es a la vez una partícula y un campo ondulatorio que permea todo el espacio. El lector no debe preocuparse si esto le resulta difícil de entender: también le pasó a Einstein en 1905, cuando propuso que la luz —hasta entonces un campo por el que se propagaban las ondas electromagnéticas— debía consistir también, de algún modo, en un chorro de partículas, los ahora familiares fotones.
El campo de Higgs fue la primera cosa que existió una fracción de segundo después del origen de nuestro universo, y la que explica no solo las propiedades de este mundo —como la masa exacta de todas las demás partículas elementales—, sino también su mera existencia.
El principal objetivo de la física teórica contemporánea es unificar las cuatro fuerzas fundamentales (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria) bajo un único y profundo marco teórico, la “teoría del todo” que Einstein persiguió sin éxito durante los últimos 30 años de su vida.
Una hipótesis razonable para este mecanismo es suponer que existe un "campo" que permea todo el espacio (el universo) con el que interaccionan casi todas las partículas elementales. Aquellas partículas que experimenten una interacción intensa con este campo serán partículas muy masivas, mientras las que lo hagan levemente serán ligeras.
Pero, ¿y las que no interaccionan ? Esas, como el fotón (la partícula de la luz), carecen de masa pudiendo moverse libremente a la velocidad de la luz. Estamos hablando del campo de Higgs. Si visualizamos este campo como una gelatina que, de forma apenas perceptible, ocupa todo el espacio podemos interpretar la inercia como la interacción de las partículas elementales con esta "sustancia" (sin olvidar que ésto no es sino una imagen mental, un ejercicio intelectual). Este campo que, como dijimos, permea todo el espacio, es prácticamente indetectable. Sin embargo, el modelo de Higgs predice que si lo agitamos con suficiente fuerza podemos producir perturbaciones en el mismo que serían detectables. Esas perturbaciones son la partícula de Higgs (más técnicamente, el bosón de Higgs).
Una forma de alcanzar la energía capaz de producir perturbaciones detectables del campo de Higgs es acelerar dos haces de protones, en direcciones contrarias, a una velocidad próxima a la de la luz, y hacerlos chocar, provocando la completa desintegración de las partículas que participan en la colisión (los quarks y gluones de los que están hechos los protones). La energía de la colisión se transforma en nuevas partículas (ya conocidas) que se alejan del punto de interacción a velocidades próximas a las de la luz.
El acelerador LHC del CERN es capaz de acelerar grandes cantidades de protones (decenas de billones de protones por haz) al 99.999997% de la velocidad de la luz y hacerlos colisionar en puntos de interacción muy precisos (cada uno de ellos es, en buena aproximación, un circulo de 10 milésimas de milímetro de radio) en torno a los cuales están situados los detectores de partículas.
El Modelo Estándar describe, con tremenda precisión, las partículas elementales y las fuerzas de interacción entre ellas. Pero tiene, o tenía, una ausencia importantísima al no poder explicar por qué tienen masa las partículas que la tienen. La respuesta la propusieron hace medio siglo el británico Peter Higgs y otros especialistas, con un mecanismo que explicaría ese origen de la masa de algunas partículas y que se manifestaría precisamente en una partícula nueva, el llamado bosón de Higgs, que por fin asoma en los detectores del LHC.
“Sin masa, el universo sería un lugar muy diferente”, explican los científicos del CERN. “Por ejemplo, si el electrón no tuviera masa, no habría química, ni biología ni personas. Además, el Sol brilla gracias a una delicada interacción entre las fuerzas fundamentales de la naturaleza que no funcionaría si algunas de esas partículas no tuvieran masa”.
Una de las ideas más eficaces es la propuesta por el físico del CERN Gian Francesco Giudice en su libro A Zeptospace Universe: las partículas adquieren masa al interaccionar con el llamado campo de Higgs. Piense en agua en la que nadan delfines y se bañan hipopótamos, dice Giudice; para las partículas que no tienen masa, como el fotón, el agua es totalmente transparente, como si no existiera, mientras que las que tienen masa, pero poca, se deslizan fácilmente sin apenas interactuar con el líquido, como los delfines. Las partículas masivas, como si fueran hipopótamos, se mueven con dificultad en el agua. El campo de Higgs, el agua en el símil, se expresa en determinadas condiciones como una nueva partícula, como una ola en el agua, que es la que probablemente han encontrado ahora los físicos del LHC.
Todos tenemos una idea intuitiva del concepto de la masa de las cosas. Por ejemplo, un elefante tiene mucha más masa que una hormiga. Pero, ¿cuál es el origen de la masa de las cosas? Una primera respuesta es simplemente que la masa de un objeto es la suma de las masas de los átomos de los que está compuesto. Un elefante es mucho más masivo que una hormiga porque contiene muchos más átomos. Pero, ¿de dónde viene la masa de los átomos? Al final la auténtica pregunta es cuál es el origen de la masa de las partículas elementales como los protones y los neutrones, constituyentes de los átomos. Buena parte de esa masa se debe a la interacción nuclear de dichas partículas. Pero otra parte y, en general, la masa del electrón y de todo el resto de partículas elementales se debe a la misteriosa partícula de Higgs. O al menos eso dice la teoría. ¿Qué es la partícula de Higgs? Para entrever su significado hay que recordar otra noción, también relativamente familiar, la de campo de fuerzas. Nos suena cuando alguien nos habla del campo magnético creado por un imán a su alrededor. O del campo gravitatorio terrestre, que nos atrae hacia el centro de la Tierra. La teoría nos dice que aparte de estos y otros campos de fuerzas existentes en la naturaleza, existe uno muy peculiar, el campo de Higgs. Todo el espacio está relleno de este campo con un valor constante en el espacio. ¿Cuál es el efecto físico de este campo? Las partículas elementales, de las cuales están hechas todas las cosas, cuando se mueven en el espacio se ven frenadas al interactuar con este viscoso fondo formado por el campo de Higgs. Este frenado, esa inercia que sufren las partículas es su masa. A primera vista parece algo hipotético y difícil de comprobar experimentalmente. Sin embargo, este campo de Higgs, como todo objeto físico, está sujeto a las leyes del mundo microscópico, las leyes de la mecánica cuántica. Y la mecánica cuántica nos dice que si existe un campo, debe de existir asociado a una partícula elemental. En el caso del campo electromagnético las partículas asociadas son bien conocidas, son los fotones, que son los constituyentes de la luz y de la radiación electromagnética en general. A la partícula asociada al campo de Higgs se le llama Bosón de Higgs, en honor de Peter Higgs, un físico británico que, junto con otros colegas, propuso la existencia de esta partícula en 1964. A pesar de su importancia, el Bosón de Higgs es una partícula extremadamente efímera. Una vez producida se desintegra en una billonésima de picosegundo (un picosegundo es una billonésima de segundo). Bosones de Higgs debieron de existir en abundancia, en el origen del universo, en el momento del Big-Bang, hace unos 10.000 millones de años, pero desaparecieron en su integridad (aunque no su efecto generador de la masa). Desde entonces pueden haber sido producidos esporádicamente en cataclismos estelares y posiblemente también en el CERN, en Ginebra. La razón de la dificultad de su producción es su alta masa que sabíamos hasta ahora debía de ser al menos mayor que 115 veces la masa de un protón. El acelerador LHC (Large Hadron Collider) del CERN (Centro Europeo de Física de Partículas) es capaz de reproducir en el laboratorio algunas de las condiciones del Big-Bang 10.000 millones de años después. En un túnel subterráneo de 27 kilómetros de circunferencia, se hacen circular a velocidades cercanas a la de la luz dos haces de protones en direcciones opuestas y se les hace chocar en dos zonas, donde están situados dos enormes detectores de partículas denominados ATLAS y CMS. Al chocar estos haces, el LHC es capaz de concentrar una energía equivalente a 7.000 veces la masa del protón en las zonas centrales de cada detector, más que suficiente para producir Bosones de Higgs y detectarlos. El trabajo de muchos centenares de físicos experimentales de partículas e ingenieros, entre los que se cuentan muchos físicos de universidades (Madrid, Barcelona, Valencia, Santander, Santiago, Oviedo) y centros de investigación españoles (CIEMAT, IFIC, IFAE, IFCA), han hecho posible este éxito singular. Todo parece indicar que dichos experimentos han encontrado los primeros indicios sólidos de la existencia del Bosón de Higgs. Para confirmarlo habrá que esperar hasta finales del año que viene, en el que se espera triplicar el número de colisiones en el LHC. Dicha confirmación significa ya un gran triunfo para la física. Pero también dejaría muchas preguntas por contestar, como por ejemplo por qué la masa del Bosón de Higgs es la que es. Todos esperamos que el LHC ayude a contestar muchas de las nuevas preguntas planteadas en los años próximos.
Los misterios que el Bosón de Higgs aún no puede explicar
He aquí algunas de las cuestiones más importantes que no se resolverán, de momento
Colisión entre protones en el experimento del CERN en busca del Bosón de Higgs
El hallazgo del Bosón de Higgs cierra un capítulo de la Historia de la Ciencia y apunta, como ya publicó ABC hace unos días, a toda una serie de nuevos avances científicos. Sin embargo, los investigadores creen que muchas cuestiones seguirán envueltas en el misterio. He aquí algunas de las más importantes y que siguen trayendo de cabea a los investigadores de todo el mundo.
1. Materia oscura
Toda la materia que conocemos, desde la terrestre a la de las más lejanas galaxias, responde al mismo tipo de estructura fundamental. Está constituída por átomos, que a su vez constan de partículas y que se unen para dormar los distintos materiales que conocemos. Lo que distingue, por ejemplo, al hidrógeno del hierro es que el núcleo de un átomo del hidrógeno contiene un solo protón y un solo neutrón, mientras que un núcleo de hierro está formado por 58 protones y 58 neutrones. Cada número corresponde a un elemento diferente de la Tabla Periódica.
Sin embargo, desde hace ya más de una década sabemos que toda esa "materia ordinaria", de la que todos nosotros estamos hechos, sólo da cuenta de un 4% de la masa total del Universo. El restante 96%, aunque nos pese, sigue siendo un misterio. Pero los científicos han encontrado pruebas (indirectas) que indican la presencia de "otro tipo" de materia, una tan extraña que ni siquiera sabemos si está compuesta por átomos. A falta de más datos, la llamamos "materia oscura". Es por lo menos seis veces más abundante que la materia ordinaria y sólo sabemos de su existencia por los efectos gravitatorios que produce en la materia que sí podemos ver. La materia oscura añade, por lo menos, otro 23% a la masa total del Universo.
Los astrónomos creen que muchas galaxias, incluída la nuestra, están rodeadas por halos de materia oscura, lo que hace que las estrellas de las regiones exteriores de esas galaxias orbiten mucho más rápido de lo que lo harían teniendo en cuenta solo la materia que podemos ver. Andrómeda, por ejemplo, la galaxia más cercana a nuestra Vía Láctea (se encuentra a 2,5 millones de años luz) se dirige hacia nosotros a más de 320.000 km. por hora. Un movimiento que sólo puede deberse a la acción de la gravedad. Sólo que, para causar ese avance, nuestra galaxia debería ser diez veces mayor de lo que es.
2. Energía oscura
Sumando materia ordinaria (4%) y materia oscura (23%), seguimos teniendo sólo un 27% de la masa total del Universo. De qué está hecho, pues, el 73% restante? La respuesta es aún más misteriosa que la materia oscura del apartado anterior. Se trata, dicen los investigadores, de "energía oscura", cuyo descubrimiento data de 1998. Fue entonces cuando, después de un estudio de diez años sobre varias supernovas, los astrónomos se quedaron de piedra. Algunas de ellas estaban tan distantes que cuando su luz empezó a viajar hacia la Tierra el Universo apenas si tenía una fracción de su edad actual. El objetivo del estudio era medir si había fluctuaciones en la tasa de expansión del Universo, lo cual serviría para afinar los cálculos sobre su edad, estructura y destino final.
El resultado del estudio fue totalmente inesperado. Los científicos, en efecto, esperaban ver una ligera ralentización en la velocidad de expansión. En lugar de eso, hallaron justo lo contrario: en lugar de retrasarse, la expansión del Universo se estaba acelerando. La única explicación posible fue recurrir a una suerte de fuerza capaz de oponerse (y de vencer) a la gravedad.
Ese nuevo y misterioso ingrediente fue bautizado como "energía oscura" y muy pronto resultó evidente que esa energía se encontraba por todas partes, y que su acción "antigravitatoria" era mucho mayor que la fuerza de gravedad combinada de toda la materia, tanto de la ordinaria como de la oscura. De hecho, la energía oscura se considera responsable del 73% de la masa del Universo.
3. Antimateria
Además de la ordinaria y de la oscura hay, que se sepa, por lo menos otra clase de materia, y tan distinta de la ordinaria (de la cual estamos todos hechos) que es incompatible con ella. Se trata de la antimateria. La antimateria es, aparentemente, idéntica a la materia «normal». De hecho, no puede diferenciarse de ella a simple vista. Pero si un átomo de antimateria entra en contacto con otro de materia, ambos se aniquilan en una fuerte explosión de energía.
Si un hombre pusiera pie en un planeta hecho de antimateria, se desintegraría al instante. Los modernos laboratorios de física son capaces, desde hace algunos años, de «fabricar» átomos de antimateria. Algunas teorías postulan la existencia de galaxias enteras hechas de antimateria. Galaxias que, si alguna vez llegaran a entrar en contacto con la nuestra, provocarían un cataclismo cósmico como jamás se ha visto.
La cuestión es que, a pesar de que las teorías actuales predicen que el Big Bang habría tenido que dar lugar a la misma cantidad de materia que de antimateria, parece que todo cuanto nos rodea está hecho de materia "normal". Dónde está, pues, la antimateria que falta? Es posible, dicen algunos, que en el origen se generara un exceso de materia y que todo lo que vemos sea lo que queda despuñes de que toda la materia y antimateria original se aniquilaran entre sí. Otros, sin embargo, piensan que muchas de las galaxias que podemos ver a través de nuestros telescopios podrían estar hechas de antimateria. ¿Quién tiene razón? Es pronto, muy pronto, para saberlo.
4. ¿Cuál será el destino del Universo?
El Universo, como demostró el astrónomo Edwin Hubble en 1929, se expande en razón de una constante que él mismo calculó. A cada minuto que pasa se hace más grande. Expansión que además, como hemos visto, se está acelerando en virtud de la "energía oscura". Eso significa que hace una hora el Universo era más pequeño, que hace un mes lo era aún más. Hace miles de millones de años, debió de existir un momento muy especial en que todo el Universo estuvo contenido en un punto microscópico, un punto que, de alguna manera, comenzó a expandirse y cuya expansión continúa en la actualidad.
La pregunta es: ¿Continuará para siempre este proceso de expansión? ¿O se detendrá alguna vez para dar inicio a una fase de contracción? El destino del Universo, como se sabe desde hace décadas, depende en gran medida de la cantidad de materia y de energía oscura que haya en él. Porque la materia es responsable de la fuerza de gravedad y la gravedad tiende a reunir la materia, es decir, se opone frontalmente a la fuerza de la expansión que pugna por separarla.
Más materia significa más gravedad, y la gravedad, si es lo suficientemente fuerte, es lo único que podría frenar el actual proceso de expansión y dar lugar a un periodo de contracción (Universo cerrado). Menos materia significaría menos gravedad, en cuyo caso la expansión continuaría eternamente, hasta que se apagara la última estrella en un Universo frío, oscuro y desolado (Universo abierto).
Pero si la cantidad de materia resultara ser la justa, entonces podríamos mantenernos en la línea intermedia entre estas dos soluciones (Universo plano). Lo que hay que hacer, resulta evidente, es calcular de una vez cuánta materia (y de qué clase) hay exactamente a nuestro alrededor.
5. ¿Existen otros Universos?
Hace apenas un siglo aún creíamos que la Tierra era el centro de todo lo que existe. Hoy, sin embargo, los espectaculares avances del conocimiento científico nos han exiliado a un apartado rincón de una galaxia que no tiene (aparte de nosotros mismos) nada de especial con respecto a las demás. Y puede que pronto tengamos que hacer lo propio con el concepto mismo de Universo. Universos cíclicos, Universos burbuja... existen varias descripciones matemáticas que sugieren que el nuestro no es el único Universo posible. No sólo eso, sino que podrían haber existido otros universos antes que el nuestro, y podría haber otros que nacieran después de que el que conocemos haya desaparecido.
Algunas teorías llegan incluso a sostener que, probablemente, existen otros universos contemporáneos, desarrollándose al mismo tiempo que el nuestro. El secreto de los universos paralelos se oculta, una vez más, en las condiciones que originaron el Big Bang. ¿Por qué motivo de la Gran Explosión habría tenido que surgir un sólo Universo? ¿Por qué no dos, o diez, o un número infinito de ellos? ¿No pudo haber en el origen múltiples burbujas y ser nuestra realidad en expansión sólo una de ellas?
6. ¿Qué había antes del Big Bang?
La mayoría de los científicos opinaría que es absurdo plantear la cuestión porque, entre otras cosas, con el Big Bang también surgió el tiempo, y «antes» es un concepto temporal que no puede aplicarse fuera del propio tiempo. Sin embargo, según ciertos cálculos, abordados en principio por un grupo reducido de «disidentes» sobre la posible existencia de «otros» universos, (cálculos que hoy empiezan a gozar de la aceptación general) la pregunta vuelve a encontrar sentido. Hay varias teorías sobre el «antes». La más extendida de ellas dice que nuestro universo podría estar «rebotando» sobre sí mismo, como una burbuja que se hincha y se deshincha, y que el Big Bang podría ser sólo el momento inicial de uno de esos rebotes.
Esta teoría implica la necesidad de que el Universo actual sea «cerrado», es decir, que la gravedad venza a la fuerza de expansión y provoque el comienzo de una etapa de contracción que vuelva a terminar en un punto, como el original, de infinita densidad. Algo que, por otra parte, parece no estar sucediendo. Según esta teoría, el nuestro sólo sería un ciclo más en medio de un número indeterminado de ciclos. Eso sí, un ciclo muy especial, en el que se han dado las condiciones precisas para que surjan unos seres (nosotros) capaces de preguntarse qué había antes del Big Bang.
7. ¿Hacia dónde va nuestra galaxia?
Como hemos visto, en el Universo todo se mueve, y no cabe duda de que, en términos generales, las galaxias se alejan las unas de las otras. Pero, dentro de este esquema existen otros movimientos, más concretos, provocados por otras fuerzas, probablemente gravitatorias, cuyo origen aún se desconoce. Nuestra galaxia, por ejemplo, junto a todas sus vecinas del Grupo Local de galaxias (unas veinte) se dirige a toda velocidad hacia el cúmulo de Virgo. No sería ésta la dirección lógica si siguiéramos, lisa y llanamente, las leyes de la expansión. ¿Qué nos atrae entonces hacia allí? ¿Qué misteriosa fuerza puede alterar el rumbo de todo un grupo de galaxias en el espacio?
Partamos desde el principio. Para calcular el movimiento del grupo de galaxias al que nosotros mismos pertenecemos, un observador situado en la Tierra debe tener en cuenta la superposición de varios movimientos «menores», como por ejemplo los 30 km/s de la Tierra en su órbita alrededor del Sol, los 230 km/s de todo el Sistema Solar alrededor del centro de nuestra propia galaxia o los 90 km/s a los que La Vía Láctea (nuestra galaxia) es atraída hacia su vecina más próxima, la galaxia de Andrómeda.
Descontados dichos movimientos, aún queda otro, de 600 km/s, de nuestra galaxia (y de todas sus compañeras del Grupo Local) hacia el Cúmulo de Virgo. Sin embargo, se ha comprobado queel Cúmulo de Virgo no puede ser responsable de todo este movimiento, ya que él mismo también se mueve en la misma dirección. Sea lo que sea lo que nos atrae, también atrae al cúmulo de Virgo. El siguiente candidato a «culpable», por el simple hecho de que está en la dirección hacia la que nos dirigimos, fue el supercúmulo Hidra-Centauro.
Pero cual no sería la sorpresa de los investigadores cuando descubrieron que también Hidra-Centauro (una agrupación de galaxias cientos de veces mayor que el cúmulo de Virgo) estaba aprisionado dentro de una atracción gravitatoria todavía mayor. Desconcertados, llamaron Gran Atractor al «monstruo» capaz de mover hacia sí mismo miles de galaxias como si fueran planetas alrededor del Sol. Sea lo que sea ese Gran Atractor, lo cierto es que todos, inevitablemente, nos dirigimos hacia allí.
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