Higgs: 4,9 σ - Dios: 0 σ

Peter Higgs

¿De dónde salimos? ¿Nos hizo Dios, o simplemente aparecimos aquí en la Tierra por azar? Para contestar este tipo de preguntas, podemos pasarnos la vida buscando a Dios o podemos examinar de qué estamos hechos. Recuerdo un debate sobre la Creación en la escuela secundaria. Uno de mis argumentos era que, si nos hubiera hecho un dios, no había ninguna necesidad de hacernos de forma tan complicada, con células de estructuras tan complejas, tejidos diversos formando órganos con funciones específicas, etc. ¿Para qué hacernos con un sistema nervioso, en lugar de hacer que las heridas nos duelan porque sí? ¿Por qué no hacernos de un solo material, como un muñeco de madera o de arcilla? ¿La Biblia misma no dice que fuimos hechos de barro (o de tierra)? Más allá de la constitución de nuestros cuerpos, si analizamos la constitución de todo lo que nos rodea, ¿cuál era la necesidad de hacer que todo lo que existe esté compuesto por moléculas, átomos y partículas subatómicas? ¿Para qué crear las cuatro fuerzas fundamentales? ¿Por qué las cosas no se mantienen unidas simplemente por la voluntad de Dios? Los creyentes, claro, dirán que ESA ES justamente la voluntad de Dios, que todo es así porque Él quiere, pero eso es algo que ni ellos ni nadie tienen forma alguna de saber ni puede ser demostrado, por lo que la pregunta sigue sin respuesta. No se puede demostrar que los dioses existan ni que no existan, ni mucho menos puede nadie saber qué quiere o no quiere un dios.

Esta discusión, de qué está hecha la materia, está relacionada con el argumento del Dios de los huecos, que dice que todo aquello que puede ser explicado por la razón humana queda fuera de la acción divina y, de esta forma, la acción de los dioses queda confinada a los “huecos” que la ciencia no puede explicar. Esta teoría, obviamente, se aplica a todas aquellas personas que necesitan creer en algo superior, pero que al mismo tiempo no tienen ningún problema en aceptar los descubrimientos y desarrollos científicos, una vez que éstos demuestran ser válidos. Simplemente consideran que su dios se ubica “un poco más allá” (bueno, a veces no tan simplemente). Por supuesto, y lamentablemente, también hay gente que no acepta a la ciencia como método válido, pero eso es material para otra discusión.

Decíamos que saber de qué está hecho todo lo que vemos, incluidos nosotros mismos, es una de las preguntas más antiguas y difíciles de responder y que se relaciona con la necesidad de saber quiénes somos, de dónde venimos y hacia dónde vamos. El descubrimiento del bosón de Higgs nos ayuda a comprenderlo un poco mejor.
 

Estructura de la molécula de vitamina B12

Como sabemos, las distintas sustancias que forman todas las cosas que conocemos están hechas de moléculas. Éstas pueden ser orgánicas o inorgánicas y tienen muy diversas composiciones y estructuras. Las moléculas pueden interactuar entre sí de varias formas, romperse o unirse, mezclarse o separarse, originando compuestos. Estas moléculas, a su vez, están formadas por átomos unidos entre sí por fuerzas químicas y electromagnéticas. Una molécula pequeña, como la del agua, está formada por tres átomos: dos de hidrógeno unidos a uno de oxígeno. Una molécula grande -o macromolécula-, como la del ADN humano, se calcula que puede contener algo más de 200.000 millones de átomos. Entonces, ¿qué son los átomos?

Los griegos (Demócrito, Leucipo y Epicuro) imaginaron la existencia de los átomos, con el objetivo de explicar que la materia no podía dividirse indefinidamente, sino que debía existir una unidad básica que la forme y que al combinarse creara todo lo que nos rodea. Por supuesto, estos filósofos no podían saber cómo eran los átomos en realidad -algunos creían que se unían entre sí de forma física, mediante pequeños ganchos- y su verdadera naturaleza permaneció en el misterio durante cientos de años. Los científicos modernos, intrigados por conocer su estructura, propusieron varios modelos y los pusieron a prueba por medio de experimentos, además de someterlos al análisis de sus pares. 

John Dalton

El primero en elaborar un modelo con bases científicas fue Dalton (1808), que básicamente consideraba a los átomos como pequeñas bolitas indivisibles e indestructibles, que tenían distintos tamaños según de qué elemento químico eran, y que se podían combinar entre sí. Si bien el modelo era precario, fue un gran avance, que en cierta medida se basó en la Ley de conservación de masa, establecida por Lavoisier, según la cual “la materia no se crea ni se destruye, sino que se transforma”. En 1897 Thomson descubre el electrón, lo que lo lleva a proponer un nuevo modelo, en el cual los electrones, a los que arbitrariamente asigna carga eléctrica negativa, estaban inmersos en una masa positiva. Este modelo es descripto como un pan dulce esférico (la parte positiva) con pasas de uva (las partes negativas) distribuidas en su interior. Jean Perrin lo modificó, estableciendo que los electrones se ubicaban en la periferia de la masa positiva (como si las pasas estuvieran solamente en la superficie del pan dulce). 

En 1910 Rutherford llevó a cabo un experimento para corroborar la validez del modelo de Thomson y encontró que en realidad la parte positiva está concentrada en un núcleo, con los electrones girando en torno al mismo en órbitas ubicadas a una cierta distancia del mismo, y que el espacio entre ambas partes es vacío. Rutherford también predijo, en 1920, la existencia del neutrón, ubicado en el núcleo junto con los protones. En 1913 Bohr presenta un nuevo modelo, según el cual los electrones giran en orbitas distintas, cuyas distancias al núcleo dependen de su nivel de energía asociada, de forma que los electrones con más energía se encuentran en órbitas más alejadas del mismo. También introdujo el concepto de que al irradiarse energía sobre algún electrón, éste puede saltar de un nivel al siguiente o, incluso, liberarse de la atracción del núcleo y escaparse del átomo. Este fue el modelo más aceptado hasta que, en 1926, Schrödinger interpretó a los electrones como partículas con propiedades de onda, lo cual lo llevó a describirlos por medio de funciones de onda. A partir de entonces, ya no se habla de órbitas, si no de unas zonas de probabilidad -o nubes de probabilidad- alrededor del núcleo, denominadas orbitales y descriptas por funciones matemáticas, en las cuales hay una alta probabilidad de encontrar un electrón.
 

Llegados a este punto, los científicos ya se estaban preguntando de qué estarían hechos los protones, neutrones y electrones que forman los átomos y, más importante, cómo comprobarlo. La única forma concebida hasta el momento es hacer chocar partículas entre sí, detectar los resultados, cuantificarlos y analizarlos mediante la estadística. Por supuesto, es más fácil decirlo que hacerlo. Para lograrlo, hubo que construir unos aparatos llamados Aceleradores de partículas, que básicamente generan campos electromagnéticos para acelerar las partículas a velocidades enormes. Los primeros datan de 1931 y 1932, pero a la fecha ya se han construido varios en Norteamérica, Europa y Asia, de distintas formas, tamaños y funciones. Uno de sus componentes principales son los Detectores de partículas, que también pueden tener distintas características según su uso.

Los estudios posteriores revelaron que los protones y neutrones son partículas compuestas, lo que llevó a acuñar el término partículas elementales para aquellas partículas que, hasta donde se sabe, no están formadas por otras más simples. En los años ’70 se desarrolló el modelo estándar de la física de partículas, con el objetivo de describir las interacciones entre las partículas elementales. Vamos a describir parte del modelo estándar muy básicamente y sin entrar en detalles. Para más información, sólo hay que seguir los links.

Hay dos tipos básicos de partículas:

1- Los fermiones: se considera que son los constituyentes básicos de la materia y que le dan a ésta casi toda su masa. Los fermiones elementales se clasifican en dos grupos:

* Quarks: son los que forman los protones, neutrones, hadrones y otras partículas compuestas. Se unen entre sí mediante partículas llamadas gluones y pueden experimentar la interacción nuclear fuerte. Existen seis tipos diferentes de quarks, y tienen nombres bastante llamativos (sí, me tentó poner particulares):

o   arriba

o   abajo

o   fondo

o   cima

o   extraño

o   encanto

* Leptones: entre ellos se encuentran los electrones y otras partículas que interactúan básicamente mediante la interacción electrodébil. Existen seis tipos diferentes de leptones:

o   electrón

o   neutrino e

o   muon

o   neutrino µ

o   tau

o   neutrino τ

   

    2- Los bosones: en física de altas energías y de partículas se dice que son mediadores de fuerza o partículas portadoras de las interacciones fundamentales. A los bosones involucrados en dichas interacciones se les denomina bosones gauge. Éstos son:

* los bosones W y Z para la interacción débil

* los gluones para la interacción fuerte

* los fotones para la fuerza electromagnética

* el gravitón (todavía teórico) para la fuerza gravitatoria

Ahora, ¿qué es el famoso bosón de Higgs? Para explicarlo de la forma más simple posible, Peter Higgs y su equipo propusieron en 1964 la existencia de un campo cuántico que atraviesa todo el universo y que sería el responsable de darle masa a las partículas elementales. Como todos los campos cuánticos tienen una partícula fundamental asociada a ellos, al campo de Higgs le debía corresponder una partícula de Higgs, que sería el cuanto o unidad mínima de ese campo. Encontrarla era imperativo para demostrar la existencia del campo y la validez del modelo.

Encontrar esta partícula no fue nada fácil, pero al fin, después de años de trabajo y unos cuantos millones de euros, los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones se han completado, permitiendo confirmar con la mayor certeza posible que existe y está ahí. Los científicos a cargo del CMC confirmaron que los datos obtenidos tienen una significancia estadística de 4,9 σ (sigma), que es suficientemente alta como para considerarla una certeza. A su vez, los responsables del ATLAS aseguran que han detectado esta nueva partícula a 5 sigma, lo que equivale a una certeza del 99,9999%. Como dato interesante para los que les gusten los números grandes, se calcula que en todos estos años se han hecho chocar 500 billones de partículas (500.000.000.000.000 partículas) hasta encontrar el bosón de Higgs.

Por algo le dicen "Gran" Colicionador de Hadrones

El ejemplo más simple que se ha propuesto para entender este modelo describe una fiesta en un salón, en el cual los invitados están uniformemente distribuidos. En un momento dado entra alguien conocido o famoso y, naturalmente, todos los invitados tienden a acercarse y rodearlo a medida que atraviesa la sala, haciendo más difícil su paso. El famoso sería una partícula, cada invitado sería un bosón y el conjunto de ellos sería el campo. Los bosones, al rodear la partícula, le confieren masa y hacen que haya una cierta resistencia a su movimiento. De la misma forma, un fotón podría ser equivalente a un desconocido que atraviesa el salón (el campo) sin que se le ofrezca ninguna resistencia, porque no tiene masa.

Otra forma de verlo es imaginar al universo como un gran océano: las moléculas de agua son los bosones de Higgs y el océano es el campo de Higgs, que ofrece una resistencia a los peces (las partículas), dándoles masa. Unas partículas encuentran mucha resistencia porque tienen más masa (ballenas) y otras no encuentran ninguna (los fotones).

Colisión registrada por el detector CMS

El descubrimiento de la partícula de Higgs, además de lo mencionado, viene a confirmarnos una vez más que el método científico funciona. Por un lado, su existencia fue predicha en 1964 por medio de modelos y teorías científicas, las cuales fueron analizadas y validadas a su vez por otros científicos a lo largo de los años. Por el otro, su descubrimiento fue realizado por medio de la investigación y la experimentación científicas. Además, de aquí en adelante, este hallazgo será comprobado y puesto a prueba por los científicos presentes y futuros de todo el mundo. El experimento será replicado cuantas veces haga falta y su método y resultados, que son públicos, serán examinados exhaustivamente por todo aquel que desee hacerlo, y cualquier falla en la teoría o en los experimentos será dada a conocer y el error será admitido aunque duela. Porque eso es la ciencia.