A veces, las cosas más extrañas son tan familiares que pocas veces nos detenemos a pensar en ellas. Una de estas es la masa, a la que en el lenguaje coloquial, llamamos peso.
Cuando nos subimos a una balanza, queremos saber cuánta materia hay dentro de nuestras nuestras barrigas. Esto que marca la balanza representa nuestra masa: la cantidad de materia dentro de nuestro cuerpo. Pero ¿alguna vez te has detenido a pensar qué es la masa? ¿Por qué todo a nuestro alrededor la tiene?
Como te lo contamos en otro video, la masa es una propiedad física que se manifiesta como resistencia al cambio de velocidad. Las cosas con masa, como un auto, una ballena o tú, se resisten a cambiar su velocidad. Si un auto está quieto, necesitas aplicar una fuerza para que empiece a moverse. Por otro lado, si está avanzando, necesitas una fuerza para detenerlo. Así, todas las cosas que poseen masa presentan esta propiedad de resistirse al cambio de velocidad.
Esto parece obvio. ¿Acaso no es lógico que todas las cosas poseen esta propiedad? Pues, aunque no lo creas, no. De hecho, hay cosas en nuestro universo que no poseen masa. Los fotones, las partículas de las que está hecha la luz, no tienen masa. Los gluones, una partícula sin la que no existirían los átomos, tampoco tienen masa. Y, como último ejemplo, tenemos a los gravitones, partículas hipotéticas que serían las transmisoras de la fuerza de gravedad.
Lo que comparten todas estas partículas, aparte de no tener masa, es que se mueven muy rápido. ¿Qué tan rápido? A la máxima velocidad posible: la velocidad de la luz. Todas las partículas que no poseen masa se mueven a esta velocidad. Por ejemplo, la luz de nuestro Sol viaja a esa velocidad y tarda 8 minutos en llegar de la estrella a nosotros.
¿Pero por qué algunas partículas tienen masa y otras no? La respuesta es el campo Higgs. Pero ¿qué es este campo? Y ¿por qué le otorga esta propiedad a algunas partículas y a otras no? Para entenderlo, necesitamos conocer un poco sobre cómo funciona nuestro universo.
Hoy en día, nuestro universo es descrito por dos teorías: la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica de campos. De estas dos, la segunda es la más relevante de la historia. De acuerdo con la mecánica cuántica, todo nuestro universo está permeado por campos.
Puedes imaginarlo como si nuestro universo fuera una pecera. Nosotros y todas las galaxias estamos dentro de la pecera y esta está llena de agua. El agua es el medio por el que nos movemos; es el campo que permea nuestra realidad. La diferencia de una pecera con nuestro universo es que la pecera solo tiene un campo: el agua. Nuestro universo tiene varios campos superpuestos.
Ahora, así como pueden haber ondas en el agua, los campos cuánticos también pueden tener perturbaciones. Estas perturbaciones corresponden a partículas subatómicas. Es decir, contrario a lo que entendemos normalmente, un electrón o un fotón no son bolitas que nos rodean y nos componen. Son excitaciones en diferentes campos. Por ejemplo, un electrón es una excitación en el campo de los electrones; o un fotón es una excitación en el campo electromagnético. Recordemos que los fotones son lo que conocemos como luz.
Además, los campos pueden interactuar unos con otros. Por ejemplo, si acercamos dos electrones, estos intercambiarán un fotón, produciendo que se alejen, de la misma manera que dos personas en patines se alejarían si se tiran una pelota. La pelota es algo similar al fotón que cambian los electrones. En simple cuando dos electrones interactúan, producen una interacción también con el campo de los fotones.
Estas interacciones entre partículas están mediadas por partículas llamadas bosones. Los fotones, que median las interacciones electromagnéticas, son un tipo de bosón. El gluón es la partícula que produce la interacción fuerte. Si quieres saber sobre ella puedes buscar nuestro video al respecto. El gravitón es una partícula hipotética que sería la mediadora de la gravedad.
Por último, tenemos a los bosones W y Z, que son de suma importancia para esta historia. Estos bosones son las partículas mediadoras de la interacción débil, la causante de fenómenos como la radiación.
En los años 60, los científicos estaban trabajando para describir el comportamiento de la interacción débil. Sin embargo, había un problema. De acuerdo con las reglas de la mecánica cuántica existentes hasta ese momento, no podían existir bosones con masa. Los fotones, los gluones y los gravitones no tenían masa. Sin embargo, los experimentos mostraron que los bosones W y Z sí tenían masa. Esto significaba que la mecánica cuántica, entonces, estaba equivocada.
Así, los físicos se encontraban en una encrucijada, porque con la mecánica cuántica de campos, habían descrito con una exactitud asombrosa otras interacciones fundamentales, pero esta nueva evidencia contradecía sus principios más básicos. La única opción parecía ser rechazar la mecánica cuántica a pesar de todo el progreso realizado.
Por suerte, Peter Higgs, un reconocido físico de la época, en conjunto con otros investigadores, halló una respuesta: tal vez por sí mismas estas partículas no tienen masa, pero hay algo que interactúa con ellas, de tal manera que emerja esta propiedad. Tal vez hay un campo, cuyas partículas interactúan con estos bosones, causando una resistencia al cambio de velocidad. Así, en principio, estas partículas mediadoras no tendrían masa, pero la ganarían en interacción con estas otras partículas. Esto no violaría los principios de la mecánica cuántica.
Los bosones W y Z no tendrían naturalmente masa, por lo que no habría una contradicción con la teoría. Solo después, al interactuar con este extraño campo, es que estos bosones adquieren masa.
Esta idea no solo explicaba por qué los bosones de la interacción débil, que no deberían tener masa, sí la tienen, sino también por qué otras partículas elementales, como los quarks o los electrones, también la tienen. Mientras más interactúe un campo con este nuevo campo, llamado el campo Higgs, más masa tendrían sus partículas y viceversa. Solo había un problema: debíamos encontrar evidencia de este campo y para ello debíamos encontrar alguna partícula de sus partículas. El llamado bosón de Higgs.
Esta, sin embargo, era muy difícil de detectar. Tan difícil que el físico y ganador del premio nobel, Leon Lederman, escribió un libro sobre ella titulado «The Goddamn Particle» o “La Partícula Maldita». Este título fue cambiado por los editores a “The God Particle” o La partícula de Dios. Este fue el origen del apodo del bosón de Higgs. Pero ¿lograron los científicos encontrarlo?
No fue sino hasta el 2012 que los científicos lograron por fin encontrar evidencia de la partícula maldita, gracias al Gran Colisionador de Hadrones: el acelerador de partículas más grande que ha construido la humanidad. Este hallazgo no solo confirmó el campo de Higgs, sino que hoy es esencial para explicar cómo algunas partículas adquieren masa, y fue uno de los mayores logros de la física de partículas en décadas. Pero ¿cómo este campo puede otorgarle masa a otras partículas?
Una forma de entenderlo es pensando nuevamente en el agua. Imagina que en lugar de una pecera tienes un gran tanque de agua y en este hay una barracuda. Al ser sumamente aerodinámica, esta interactúa muy poco con las moléculas de H2O del agua, por lo que se mueve a grandes velocidades. En contraste, Pedro, que está un poco subido de peso, interactúa mucho más con estas partículas y se mueve mucho más lento. Así, a más interacción con las moléculas de agua, más difícil será moverse a través del tanque.
Algo similar ocurre con las partículas subatómicas. Mientras más interactúen con el campo Higgs, más difícil será moverse por el universo. Algunas partículas interactúan muy poco con este campo, por lo que se mueven muy rápido. Otras, interactúan más y se mueven más lento. Por último, algunas partículas, como los fotones, no interactúan con el campo de Higgs y se mueven a la velocidad más rápida que puede existir en nuestro universo.
Así, la partícula de Dios no es más que una excitación en el campo de Higgs. Pero es una partícula que al interactuar con otras, les da masa (crea masa?). Así, nosotros, como somos seres con masa, no existiríamos sin los bosones de Higgs.
