50 años tras el bosón

Peter Higgs, François Englert, Sergio Bertolucci y Rolf Heuer brindan por la concesión del Premio Príncipe de Asturias. Foto: Carlos García Pozo

François Englert, Peter Higgs y el laboratorio europeo de física de partículas CERN reciben el Premio Príncipe de Asturias de Investigación. Alberto Casas, doctor de Física Teórica y profesor de investigación del CSIC, desgrana la importancia del gran logro individual y colectivo que supone esta investigación. Es autor, junto a Teresa Rodrigo, del libro 'El bosón de Higgs' (Catarata/CSIC), que acaba de publicar.

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La concesión del Premio Príncipe de Asturias a los científicos François Englert (Bélgica), Peter Higgs (Reino Unido) y al laboratorio europeo de física de partículas CERN (dirigido por el físico alemán Rolf-Dieter Heuer y con sede en Ginebra) es todo un acierto, ya que distingue un gran logro individual y colectivo en la búsqueda de las leyes fundamentales de la naturaleza, que culminó el pasado julio de 2012 con el descubrimiento del famoso "bosón de Higgs". Pero esta historia comenzó mucho antes, allá por el lejano 1964...

En aquella época, cuando el presidente Kennedy acababa de ser asesinado, los Beatles empezaban a ser famosos y se realizaban los primeros vuelos espaciales, la física de partículas tenía planteado un problema aparentemente irresoluble. Antes de seguir, conviene aclarar que en la naturaleza todo está hecho de partículas elementales, desde la luz (hecha de fotones) a la materia ordinaria (hecha de átomos, a su vez compuestos de otras partículas). Por tanto, entender cómo funcionan las partículas es entender cómo funciona la naturaleza, ya que todas las propiedades de la materia que vemos (cualidades de las sustancias, reacciones químicas o incluso el comportamiento de los seres vivos) son en realidad consecuencia de las propiedades de las partículas elementales que la componen. Pues bien, lo que no se entendía era por qué las partículas elementales, por ejemplo los electrones, tienen masa; un hecho absolutamente fundamental.

La masa es un concepto tan ordinario que a veces no nos preguntamos cuál es su origen, simplemente "sucede que los objetos tienen una propiedad llamada masa". Pero la realidad es que es muy difícil concebir un mecanismo que proporcione masa a las partículas elementales y sea consistente con la estructura matemática de las interacciones electromagnéticas y débiles. En agosto de 1964 los físicos belgas Robert Brout y Françoise Englert publicaron un artículo de apenas tres páginas, pero que iba a resultar revolucionario, en el que describían un posible mecanismo para conseguirlo: el mal llamado "mecanismo de Higgs". Ciertamente el británico Peter Higgs propuso independientemente la misma idea, pero algunas semanas después.

Hablando en forma pictórica, la hipótesis es que todo el universo está lleno de un campo invisible (campo de Higgs). Podemos imaginarlo como un líquido transparente y ligeramente viscoso. La "fricción" de las partículas con este campo produce una resistencia a ser puestas en movimiento, imitando exactamente el efecto de una masa. Los bosones de Higgs recién descubiertos en el CERN son las excitaciones de ese campo que lo llena todo, como las ondas producidas en un estanque. Peter Higgs (aquí sí) fue el primero en proponer la existencia de estos bosones. Por tanto, este mecanismo supone un gran salto intelectual en nuestro conocimiento sobre el funcionamiento íntimo de la naturaleza. Nos da una perspectiva revolucionaria sobre el origen de la masa, y además modifica nuestro concepto del "vacío". El vacío realmente no está vacío, sino lleno de un campo con propiedades concretas. Así que los méritos teóricos están bien repartidos entre Englert y Brout por un lado y Higgs por el otro. En realidad, como sucede a menudo en ciencia, estas ideas no surgieron de la nada. Existían artículos previos de Nambu y Anderson (ambos premios Nobel) en los que ya aparecían elementos del mecanismo de Higgs. Hay que decir que, desgraciadamente, Robert Brout falleció en 2011, solo unos meses antes de ver confirmada su teoría y lógicamente sin poder recibir el Premio Nobel ni el Príncipe de Asturias, que sin duda le habrían concedido.

Sin embargo, estas ideas revolucionarias pasaron casi inadvertidas durante casi 10 años. Las cosas empezaron a cambiar cuando otros grandes físicos las aplicaron para la comprensión de las interacciones electromagnéticas y débiles, y demostraran que eran consistentes matemáticamente. La comunidad científica se tomó muy en serio el mecanismo de Higgs y comenzaron las búsquedas del famoso y escurridizo bosón, que se resistía a aparecer y confirmar la teoría. Finalmente, esto ha sido conseguido en el acelerador de partículas LHC, instalado en el CERN. Y ésta es la "tercera pata" del Premio Príncipe de Asturias. El LHC es un gigantesco anillo de 27 km de longitud instalado a unos 100 m de profundidad. Por el interior del anillo circulan, en las dos direcciones, billones de protones (núcleos de hidrógeno) a velocidades gigantescas, prácticamente la velocidad de la luz. Los protones son forzados a colisionar en ciertos puntos del anillo, produciendo en cada choque muchas partículas, que son registradas en enormes detectores instalados alrededor del punto de colisión. En algunas de estas colisiones (unas pocas entre miles de millones) se producen los deseados bosones de Higgs, es decir el choque de protones es capaz de excitar el vacío. Para conseguir esto ha habido que superar retos tecnológicos extraordinarios. El LHC es un proyecto que se ha tardado más de 20 años en realizar, y hubiera sido impensable sin una eficaz colaboración internacional (prácticamente mundial). Por ello, el CERN es también un justo merecedor del premio. En ciencia solo se puede avanzar gracias a la combinación de teoría y experimento, en este caso ambos a un nivel excepcional.