Se van a cumplir casi 10 años desde el descubrimiento del bosón de Higgs, la última de las partículas elementales conocidas, cuyo anuncio en el CERN, el 4 de Julio de 2012, supuso el mayor acontecimiento científico para la comunidad internacional de física de partículas elementales y uno de los hitos más destacables de toda la Ciencia de este siglo.

¿Qué tenía de particular este descubrimiento y por qué razón se considera tan importante en el mundo científico? Hay razones diversas, pero la más importante, en mi opinión, es que con su descubrimiento se cerraba una página importante del estudio de la estructura de la materia del Universo, al completarse el denominado modelo estándar de la física de partículas elementales.

Las partículas elementales son los bloques fundamentales de la materia. Que sean elementales implica que no tienen estructura interna, que no consisten de otros elementos. El nombre de partículas no es muy agraciado, ya que podría pensarse en algo puntual, cuando en realidad tienen propiedades ondulatorias también, es decir se extienden en el espacio. Esto es debido a una ley de la mecánica cuántica, propuesta hace cien años por el príncipe y físico Louis de Broglie, conocida como dualidad onda-partícula. Es una propiedad muy importante para entender el comportamiento de estos bloques fundamentales del Universo y también de sus aplicaciones prácticas. De hecho, es el fundamento de los grandes aceleradores de partículas, ya que cuanto mayor energía logren, mayor resolución espacial producen y, por tanto, mayor capacidad de introspección en la estructura de la materia.

En este artículo voy a dar unas pinceladas sobre la estructura fundamental de la materia, y por tanto del Universo, así como de la dinámica que rige su comportamiento más básico. Trataré de mostrar qué conocemos y cuáles son las grandes incógnitas que nos ocupan y que nos sugieren las líneas de investigación que seguimos en estos días.

Para acometer esta tarea debo actuar como lo hacen los poetas en sus escritos: debo utilizar metáforas que ayuden a entender al gran público lo que rigurosamente requiere un lenguaje más compacto y definido, en nuestro caso el de la mecánica cuántica. Y debo permitirme licencias en el tratamiento de los temas, para hacerlos más claros, a costa de perder en parte el rigor de las leyes físicas. Es realmente un privilegio que tienen los buenos divulgadores científicos, ser poetas del pensamiento de los grandes científicos y equipos de investigación. Intentaré estar al menos a un nivel medio para dicho cometido.

El llamado Modelo Estándar de la Física de Partículas es una auténtica teoría, muy bien contrastada por los experimentos, que tiene el privilegio de ser una de las más precisas, si bien hay evidencia de que su alcance está limitado al rango de energías de nuestro Universo presente y debe ser mejorado y extendido a un dominio más amplio. Es, en el lenguaje de los científicos, una teoría efectiva, si bien es muy robusta y competitiva.

Los bloques elementales del Universo, tal como los describe esta teoría, son de dos tipos que se diferencian entre sí por una peculiar propiedad interna sin parangón en la mecánica clásica, aunque tiene rasgos similares a los de un momento angular, que se denomina spin. Esta propiedad tiene una magnitud asociada que puede tomar valores enteros o semienteros. Las partículas con spin semientero se denominan fermiones, en honor a Enrico Fermi, y constituyen los auténticos bloques estructurales de la materia; por su parte, las partículas con spin entero se denominan bosones, en honor a Satyendra Nath Bose, y se caracterizan por ser intercambiadas entre sí por las otras partículas dando lugar a las llamadas interacciones fundamentales.

El primer fermión descubierto es una partícula bien conocida, el electrón. Fue descubierta hace casi 125 años por Joseph J. Thomson, mucho antes del desarrollo de la mecánica cuántica y la física atómica, dando comienzo a una gran historia de descubrimientos que ha culminado en 2012 con el bosón de Higgs, del que hablaré más adelante.

Dentro de las propiedades características de las partículas elementales hay cuatro que son particularmente interesantes, porque están asociadas a su forma de interactuar, a la dinámica fundamental que está en la base de todos los fenómenos conocidos de la materia y de la evolución del Universo. Estas cuatro propiedades son tres tipos de carga y la masa. La masa está relacionada con el bosón de Higgs, del que me extenderé más adelante.  Las cargas son de tres tipos: la carga eléctrica, causante de la interacción eléctrica y magnética y, por ende, de la estructura de los átomos, las moléculas, la química,…; la carga nuclear fuerte, causante de las interacciones nucleares fuertes y, consecuentemente, de la existencia de los núcleos atómicos, la energía nuclear,…; y, finalmente, la carga nuclear débil, causante de las interacciones nucleares débiles, capaces de provocar la transformación de unas partículas en otras que, como consecuencia, es la base de algunos fenómenos radiactivos, de buena parte de la energía estelar,…

Misteriosamente, todas las cargas conocidas de las partículas elementales adquieren valores discretos, múltiplos de una unidad básica, y no son continuos, lo cual es una incógnita aún no resuelta. Las interacciones fundamentales se producen por intercambio, o mejor acoplamiento, de las partículas con determinados bosones. Así, en la interacción electromagnética intervienen los fotones, que son los bosones de dicha interacción; en la nuclear débil intervienen los bosones W+, W- y Z; y en la nuclear fuerte, intervienen los gluones, que son de ocho tipos diferentes.

Para que se produzca interacción electromagnética entre dos partículas, éstas deben tener carga eléctrica. Para que se produzca interacción nuclear débil, deben tener carga nuclear débil. Y, finalmente, para que se produzca interacción nuclear fuerte, deben tener carga nuclear fuerte.

Hay seis tipos de fermiones elementales que tienen los tres tipos de carga, los quarks. Se les conoce con los nombres en inglés up, down, charme, strange, top y bottom. O bien con sus iniciales y, agrupados en tres familias o generaciones, (u,d), (c,s), (t,b). Los quarks están sometidos a todas las interacciones fundamentales y los de la primera familia son, junto con los gluones, los constituyentes más importantes de los núcleos atómicos, si bien los demás también contribuyen una parte.

Otros seis tipos de fermiones elementales, los leptones, no tienen carga nuclear fuerte, por lo que no participan en la interacción nuclear fuerte. También se clasifican en tres familias de dos miembros, (e, n_e), (m, n_m), (t, n_t). Los primeros miembros de la familia, entre los que se encuentra el famoso electrón, tienen carga eléctrica y carga nuclear débil, por lo que participan en ambas interacciones, electromagnética y nuclear débil. Los otros miembros de la familia, los neutrinos, solo tienen carga nuclear débil, por lo que solo tienen ese tipo de interacción nuclear débil, siendo mucho más difíciles de detectar. Los átomos de materia están constituidos por los núcleos atómicos, con carga eléctrica positiva, y un número de electrones, distribuidos en órbitas características, igual al número de unidades de carga positiva del núcleo, de modo que, globalmente, los átomos son neutros eléctricamente. En la Fig. 1 se esquematiza este conjunto de partículas elementales. Todas, salvo el gravitón, que sería el cuanto de interacción gravitatoria, del cual haré algunas consideraciones más adelante, han sido observadas.

 Fig.1 Partículas elementales y cuantos de interacción del modelo estándar (Wikipedia)

A partir de estas partículas elementales se pueden formar las partículas compuestas, como es el caso de los hadrones, siendo los protones y neutrones los más conocidos, que están compuestos de quarks y gluones, pero caracterizándose por ser neutros en carga nuclear fuerte.

Así pues, quarks y leptones son los bloques básicos, elementales, de la materia del Universo, mientras que fotones, gluones y bosones W y Z se acoplan a quarks y leptones o entre ellos mismos, para producir la dinámica de las interacciones fundamentales. El modelo estándar explica cómo se formula esa dinámica y permite extraer predicciones sobre el comportamiento de los mismos, que ha sido ampliamente comprobada por los experimentos con aceleradores de partículas, con radiación cósmica o con grandes experimentos de bajo fondo en laboratorios subterráneos, además de otros experimentos en satélites artificiales, entre otros.

A partir de estos bloques básicos se conforman los núcleos, los átomos, las moléculas y todos los objetos que constituyen el complejo entresijo de nuestro Universo.

En realidad, he indicado cuales son los bloques y cuantos de interacción de la materia, pero el Universo primigenio estaba constituido por tantas partículas de materia como partículas de antimateria, caracterizadas por tener las mismas magnitudes de las diferentes “cargas”, pero de signo contrario. En la actualidad, conocemos y somos capaces de producir todos los tipos de antimateria, que se produce, además, de forma natural en radiación cósmica o en procesos más cercanos a nosotros, en fenómenos radioactivos naturales. Sin embargo, el Universo actual es un Universo de materia, lo cual constituye un misterio que el propio modelo estándar es capaz de explicar en parte, pero no suficientemente.

He expuesto las “cargas” como propiedades básicas ligadas a las tres interacciones fundamentales de la materia, pero me falta una cuarta propiedad, que está ligada a la interacción más conocida, la gravitatoria. Efectivamente, sabemos que la gravitación gobierna el mundo macroscópico, es el objeto de la Astrofísica y sus leyes están descritas en la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. En esta teoría, el espacio y el tiempo viene modelado por la densidad de materia-energía. Cuando tratamos de extrapolar esta interacción al mundo microscópico, subnuclear, la interacción gravitatoria depende de la cuarta propiedad de las partículas elementales, la masa, y resulta absolutamente despreciable, en comparación con las otras interacciones, por lo que no somos sensibles a la misma, ni la consideramos. Tampoco tenemos, todavía, una teoría cuántica de la gravedad bien contrastada científicamente, siendo uno de los mayores retos de la física fundamental, pues es necesaria para explicar el origen del Universo y sus primerísimos instantes de evolución.

Sin embargo, la masa es la cuarta propiedad importante de las partículas elementales y el mecanismo por el cual existe la misma ha sido un auténtico rompecabezas desde los años 60 del siglo pasado, cuando se desarrolló la teoría del modelo estándar. En esas fechas se propuso por parte de Peter Higgs e, independientemente, por Robert Brout y Francois Englert, un mecanismo, denominado “rotura espontánea de simetría”, que dotaba de masa a las partículas elementales. En esta teoría era necesario introducir una nueva propiedad en el Universo, el llamado campo de Higgs. En su interacción con las partículas elementales, aparece la masa de las mismas, como parte de su energía, resolviendo el problema de la masa. Pero la propia excitación del campo de Higgs, si es suficientemente contundente, debe dar lugar a un nuevo bosón, el bosón de Higgs, por lo que su descubrimiento fue el objetivo de una gran parte de los grandes experimentos científicos de partículas, durante más de 50 años, hasta que, finalmente, lo descubrimos en el acelerador LHC del CERN, y lo publicamos en 2012, completando el modelo estándar (Fig.2).

Fig. 2:  Publicación del descubrimiento del bosón de Higgs

Es importante destacar que el mecanismo propuesto por Brout, Englert y Higgs dota de masa a las partículas elementales. Sin embargo, la masa de sistemas compuestos viene determinada tanto por sus componentes como por la energía de enlace de los mismos que, a su vez, depende de las interacciones que sufran. Dado que la energía dominante en los átomos de materia es la correspondiente a la interacción nuclear fuerte, la masa de los objetos compuestos por átomos, como es el caso de nuestra propia masa, es de carácter nuclear, es decir estamos hechos, en buena medida, de energía nuclear.

La historia de la predicción y descubrimiento de las partículas elementales y sus interacciones fundamentales nació, como he indicado, con el descubrimiento del electrón, en 1897 (Fig.3). Continuó con los experimentos de radiación cósmica, a principios del siglo XX, en las que fue descubierto el muón. Con el advenimiento de los aceleradores de partículas[i], a mediados del siglo XX, se inició la era de descubrimientos de los quarks y el leptón tau, que culminaría, en 1995, con el descubrimiento, en el laboratorio Fermilab, de Chicago, del quark más pesado, el quark top. El neutrino electrónico fue propuesto por Wolfgang Pauli en 1930 y descubierto en 1956 por la colaboración dirigida por Clyde Cowan y Frederick Reines. El último neutrino, neutrino tauónico, ha sido el último fermión descubierto, en el año 2000, por el experimento DONUT, en Fermilab. Por su parte, los cuantos de las interacciones nucleares débiles se descubrieron en 1983, en el CERN, mientras los gluones fueron observados por primera vez, en 1979, en el laboratorio DESY de Hamburgo. El fotón es el componente de la luz y su historia se remonta a tiempos muy lejanos, pero fue Einstein quien introdujo el concepto más contemporáneo, a partir de 1905.

Fig 3: J.J.Thomson, descubridor del electrón, junto a su aparato experimental

Fig.4a:  El autor de este artículo, junto al detector CMS, uno de los experimentos descubridores del bosón de Higgs (Foto: Rebeca González)

Fig 4B:  Parte de la colaboración internacional CMS junto a un póster a escala real del detector (Foto CERN)

Un aspecto interesante en la historia de la física de partículas es que teoría y experimento se han alternado, de modo que si bien algunas de las partículas elementales, como el leptón tau, se observó, de forma inesperada en cierto modo, antes de desarrollar su propia teoría, en la mayor parte del resto de las partículas las predicciones teóricas han ido por delante, mientras las observaciones experimentales han confirmado las mismas. Como se puede deducir de las Figuras 3 y 4, la ciencia y la tecnología han evolucionado conjuntamente, convirtiéndose la actividad científica, en la actualidad, en una auténtica industria de la ciencia.

Hay muchas incógnitas sin resolver dentro del modelo estándar que, sin embargo, se muestra enormemente robusto en sus predicciones. Pero no es capaz de explicar por sí mismo la gran diferencia de masa entre las partículas elementales, ni la razón de sus cargas discretas, como tampoco el número de familias de leptones y quarks. Tampoco explica suficientemente la asimetría que existe entre materia y antimateria. Además, existen razones claras para suponer que en el Universo primigenio las interacciones fundamentales estaban unificadas en una teoría “del todo” que aún desconocemos, aunque existen muchos modelos teóricos que amplían el modelo estándar, que requieren un análisis más detallado.

Pero los misterios principales provienen de las observaciones cosmológicas en el terreno de la astrofísica. Parece que la materia que describe el modelo estándar da cuenta de un escaso 5% de la energía del Universo, mientras un 25% es otro tipo de materia desconocida, que llamamos materia oscura y el 70% restante se comporta de forma contraria a la materia en la interacción gravitacional y la denominamos energía oscura.

La comunidad científica se está preparando para abordar estos grandes retos. Hay grandes propuestas para el estudio de la materia oscura y de la energía oscura y se ha priorizado, en el campo de los futuros aceleradores de partículas, una factoría de Higgs (Fig. 5), con el objetivo de estudiar con suma precisión sus propiedades, a la vez que se abra la posibilidad de nuevos descubrimientos o señales conducentes a resolver la gran cantidad de modelos teóricos existentes.

Fig.5: Visión artística del proyecto de futura factoría de Higgs, el “International Linear Collider “, ILC (Foto: Rey Hori/KEK) [ii]

[i] Pasado, presente y futuro de los aceleradores de partículas, blog Dciencia https://www.dciencia.es/pasado-presente-y-futuro-de-los-aceleradores-de-particulas-parte-3/ (Parte 1: https://www.dciencia.es/presente-pasado-y-futuro-de-los-aceleradores-de-particulas-parte-1/  Parte 2: https://www.dciencia.es/pasado-presente-y-futuro-de-los-aceleradores-de-particulas-parte-2/)

ii El ILC https://arxiv.org/abs/1901.09829