El bosón de Higgs: la partícula que explica el origen de la masa
Durante casi medio siglo, el bosón de Higgs fue la pieza que faltaba en el modelo estándar: una partícula exigida por la teoría, pero nunca observada, y tan buscada que llegó a apodarse «la partícula de Dios», un apodo que a casi ningún físico le gusta. Su detección, anunciada el 4 de julio de 2012 en el CERN, confirmó que existe un campo de Higgs que impregna todo el universo y que explica por qué las partículas elementales tienen masa y otras, como el fotón, no. Esta página explica qué es realmente el bosón de Higgs, en qué consiste el mecanismo de Higgs, quién lo predijo, cómo se descubrió y qué preguntas sigue dejando abiertas.
Qué es el bosón de Higgs
El bosón de Higgs es una partícula elemental del modelo estándar: la excitación cuántica -la «vibración»- de un campo que llena todo el espacio, el campo de Higgs. En teoría cuántica de campos, cada partícula fundamental corresponde a las oscilaciones de un campo subyacente: el fotón es la excitación del campo electromagnético y el electrón, la del campo asociado al electrón. El bosón de Higgs es, en ese mismo sentido, la excitación del campo de Higgs, y detectarlo fue la manera de demostrar que ese campo existe realmente.
Lo que distingue al bosón de Higgs de todas las demás partículas conocidas es su espín, que vale 0. Eso lo convierte en el único bosón escalar elemental observado hasta la fecha. Los portadores de las fuerzas, como el fotón o el gluón, tienen espín 1 y se denominan bosones vectoriales; las partículas de materia, los fermiones, tienen espín 1/2. Como todo bosón, obedece la estadística de Bose-Einstein, de modo que varias partículas idénticas pueden ocupar el mismo estado cuántico. Puedes profundizar en esta familia de partículas en las referencias sobre el bosón y las partículas subatómicas.
El bosón de Higgs es además muy masivo -unos 125 gigaelectronvoltios (GeV), alrededor de 133 veces la masa de un protón- e inestable: se desintegra en otras partículas en un tiempo del orden de 10⁻²² segundos. No es algo que exista libremente a nuestro alrededor: solo aparece de forma fugaz cuando se concentra muchísima energía en un volumen minúsculo, como ocurre en las colisiones de un gran acelerador.
El campo de Higgs y el origen de la masa
La verdadera protagonista de esta historia no es tanto la partícula como el campo. El campo de Higgs se diferencia de los demás campos conocidos en que su valor no es cero ni siquiera en el vacío: posee un valor de fondo constante -unos 246 GeV en las unidades habituales de la física de partículas- que impregna todo el universo. Las partículas elementales adquieren masa en función de la intensidad con la que se acoplan a ese campo: cuanto más fuerte es el acoplamiento, mayor es la masa.
La analogía habitual, aunque imperfecta, presenta el campo de Higgs como un medio espeso. Las partículas que se acoplan con fuerza avanzarían como si atravesaran melaza y costaría mucho acelerarlas; las que no se acoplan en absoluto, como el fotón, no notan nada y viajan siempre a la velocidad de la luz. Conviene no llevar la imagen demasiado lejos: el campo de Higgs no frena a una partícula que se mueve a velocidad constante, sino que le confiere inercia, que es justamente lo que entendemos por masa.
Conviene precisar qué masa explica este mecanismo y cuál no. El mecanismo de Higgs da masa a las partículas elementales: los quarks, el electrón y los demás leptones cargados y, de manera muy señalada, los bosones W y Z. Pero no es el origen de la mayor parte de la masa cotidiana. Alrededor del 99 % de la masa de un protón o un neutrón -y, por tanto, la de tu propio cuerpo- procede de la energía asociada a la interacción nuclear fuerte que confina en su interior a los quarks, propuestos de forma independiente por Murray Gell-Mann y George Zweig en 1964, y no del campo de Higgs.
El mecanismo de Higgs: la ruptura de la simetría electrodébil
El motivo por el que se propuso el campo de Higgs es más sutil que «dar masa a las cosas». Su papel esencial es explicar por qué el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil se comportan de forma tan distinta, pese a que la teoría electrodébil las describe como dos caras de una misma interacción.
A energías muy altas, ambas se manifiestan como una sola interacción y sus portadores no tendrían masa. En el universo frío de hoy observamos algo muy diferente: el fotón carece de masa y el alcance del electromagnetismo es ilimitado, mientras que los bosones W y Z, portadores de la fuerza débil, son muy masivos (unos 80 y 91 GeV, respectivamente) y el alcance de la interacción débil es minúsculo, del orden de la milésima parte del tamaño de un protón. El campo de Higgs resuelve esa aparente contradicción mediante lo que se conoce como ruptura espontánea de la simetría electrodébil.
En la formulación del modelo estándar, la simetría de gauge impide escribir directamente términos de masa para los bosones W y Z. Al adoptar el campo de Higgs un valor de fondo distinto de cero, esa simetría queda «escondida»: tres de los cuatro componentes del campo son absorbidos por los bosones W⁺, W⁻ y Z, que así adquieren masa, mientras que el fotón permanece sin masa. El componente restante es, precisamente, el bosón de Higgs. Sin este mecanismo, la teoría predeciría portadores sin masa y un alcance ilimitado para la fuerza débil, en contradicción flagrante con lo observado.
Una predicción de 1964
La teoría se adelantó casi cincuenta años a su confirmación experimental. En 1964, tres grupos independientes publicaron con pocos meses de diferencia los artículos que sentaron las bases del mecanismo: Robert Brout y François Englert, en la Universidad Libre de Bruselas; Peter Higgs, en Edimburgo; y Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble, en el Imperial College de Londres.
Higgs fue el único que señaló explícitamente que el mecanismo implicaba la existencia de una nueva partícula masiva, un detalle que acabó ligando su nombre a ella. De ahí que hoy hablemos del «bosón de Higgs» y del «campo de Higgs», aunque muchos físicos prefieren denominaciones más repartidas, como mecanismo de Brout-Englert-Higgs.
A lo largo de las décadas de 1960 y 1970, aquellas ideas se integraron en la teoría electrodébil desarrollada por Sheldon Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg -galardonados con el Nobel de Física en 1979- y se convirtieron en un pilar del modelo estándar. Durante décadas, sin embargo, la partícula siguió siendo una hipótesis: la teoría no predecía su masa, así que había que rastrearla en un rango de energías enorme sin saber dónde aparecería.
El descubrimiento del bosón de Higgs en el CERN (2012)
La confirmación llegó gracias al Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de 27 kilómetros de circunferencia que el CERN opera cerca de Ginebra, en la frontera francosuiza. El LHC hace chocar protones a energías extremas para recrear, durante instantes fugaces, las condiciones necesarias para producir partículas tan masivas como el Higgs.
El 4 de julio de 2012, dos colaboraciones independientes, ATLAS y CMS, formadas por miles de científicos cada una, anunciaron por separado la detección de una nueva partícula con una masa en torno a 125 GeV/c². Que dos experimentos distintos, con detectores y equipos diferentes, vieran la misma señal con una significación estadística en el entorno del umbral de 5 sigma exigido en física de partículas dejó pocas dudas. Los análisis posteriores confirmaron que sus propiedades, como el espín y los modos de desintegración, coinciden con las previstas para el bosón de Higgs del modelo estándar.
Como el bosón se desintegra casi al instante, nunca se observa de forma directa: se reconstruye a partir de sus productos de desintegración, sobre todo pares de fotones y pares de bosones Z que a su vez dan lugar a cuatro leptones. En 2013, apenas un año después, Peter Higgs y François Englert recibieron el Premio Nobel de Física. Robert Brout, coautor de Englert, había fallecido en 2011 y el Nobel no se concede a título póstumo.
Qué completó el bosón de Higgs y qué dejó abierto
El descubrimiento fue el último gran triunfo del modelo estándar: la última partícula predicha por la teoría que faltaba por observar. Su hallazgo confirmó que el marco construido a lo largo del siglo XX describe con extraordinaria precisión las partículas y las fuerzas conocidas, desde el electrón identificado por J. J. Thomson en 1897 hasta el quark top, detectado en el Fermilab en 1995.
Pero completar el modelo estándar no es lo mismo que completar la física. El modelo no incluye la gravedad, no explica la materia oscura ni la energía oscura y no aclara por qué en el universo hay mucha más materia que antimateria. El propio Higgs plantea además el llamado problema de la jerarquía: su masa, relativamente modesta, resulta difícil de explicar de forma natural frente a las grandes correcciones cuánticas que cabría esperar, un enigma que sigue sin solución consensuada.
Por eso el bosón de Higgs no es un punto final, sino una ventana. Los físicos miden hoy con enorme detalle cómo se desintegra y con qué intensidad se acopla a cada partícula, en busca de desviaciones mínimas respecto a lo previsto. Cualquier anomalía sólida podría ser la primera pista de una física nueva más allá del modelo estándar, quizá relacionada con la materia oscura o con el desequilibrio entre materia y antimateria.
El Higgs, la masa de los neutrinos y la investigación en curso
Hay un caso en el que el mecanismo de Higgs se queda visiblemente corto: los neutrinos. En su formulación original, el modelo estándar los describía como partículas sin masa. El Premio Nobel de Física de 2015, concedido a Takaaki Kajita y Arthur B. McDonald por el descubrimiento de las oscilaciones de los neutrinos, demostró que estas partículas cambian de tipo mientras viajan y que, por tanto, tienen masa, aunque diminuta.
Explicar de dónde procede esa masa obliga a ampliar el modelo: podría deberse a un acoplamiento con el campo de Higgs extraordinariamente débil o a un mecanismo distinto que implique física nueva. Es una de las preguntas abiertas más activas de la disciplina y una razón más para estudiar a fondo estas partículas. Puedes ampliar el tema en la referencia sobre qué es un neutrino.
En ese terreno de investigación fundamental trabaja también el Neutrino Energy Group, una organización de investigación con sede en Berlín cuya línea de trabajo, la tecnología neutrinovoltaica, estudia si la radiación del entorno podría inducir corrientes eléctricas medibles en materiales multicapa de grafeno y silicio; se trata de investigación en desarrollo, sin relación directa con el bosón de Higgs y sin resultados demostrados ni productos disponibles.
Preguntas frecuentes
¿Por qué al bosón de Higgs lo llaman «la partícula de Dios»?
El apodo procede del título de un libro de divulgación del físico Leon Lederman publicado en 1993. Según ha contado el propio autor, quería titularlo «la partícula maldita» (The Goddamn Particle), por lo difícil que resultaba detectarla, pero la editorial lo acortó a «la partícula de Dios». La mayoría de los físicos rechaza el término porque sugiere connotaciones religiosas o de grandiosidad ajenas a la física real de la partícula.
¿El bosón de Higgs da masa a todo el universo?
No. El mecanismo de Higgs da masa a las partículas elementales, como los quarks, el electrón y los bosones W y Z. Sin embargo, alrededor del 99 % de la masa de la materia ordinaria (protones y neutrones) procede de la energía asociada a la interacción nuclear fuerte que confina a los quarks, no del campo de Higgs. El Higgs explica el origen de la masa en el nivel elemental, no la masa de los objetos cotidianos.
¿Cuál es la masa del bosón de Higgs?
Las mediciones de los experimentos ATLAS y CMS en el CERN sitúan la masa del bosón de Higgs en torno a 125 GeV/c² (gigaelectronvoltios divididos por la velocidad de la luz al cuadrado). Eso equivale a unas 133 veces la masa de un protón, lo que lo convierte en una de las partículas elementales más pesadas que se conocen, por detrás del quark top.
¿Quién descubrió el bosón de Higgs y cuándo?
El bosón de Higgs fue detectado el 4 de julio de 2012 por las colaboraciones ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. El mecanismo había sido propuesto en 1964 en tres artículos independientes firmados por Robert Brout y François Englert, por Peter Higgs y por Gerald Guralnik, Carl Hagen y Tom Kibble. Higgs y Englert recibieron el Premio Nobel de Física en 2013.
¿En qué se diferencia el campo de Higgs del bosón de Higgs?
El campo de Higgs es un campo cuántico que impregna todo el espacio y posee un valor de fondo distinto de cero incluso en el vacío; es lo que da masa a las partículas elementales. El bosón de Higgs es la partícula asociada a ese campo, es decir, su excitación o «vibración». Detectar el bosón fue la prueba experimental de que el campo existe realmente.
¿El bosón de Higgs tiene alguna aplicación práctica?
Por ahora no tiene aplicaciones tecnológicas directas: es una partícula inestable que solo se produce en aceleradores y se desintegra de inmediato. Su valor es científico, ya que confirma nuestra comprensión del origen de la masa y del modelo estándar. Históricamente, la investigación fundamental en física de partículas sí ha generado tecnologías derivadas, como la World Wide Web, creada en el CERN en 1989, o los aceleradores empleados hoy en radioterapia.
