La confirmación experimental de la existencia del bosón de Higgs

El nacimiento imperfecto de las cosas de Guido Tonelli, editado por Lince, es uno de esos libros maravillosos que se cruzan en tu camino trastocando todos tus planes. Ojeé el libro de Tonelli mientras estaba preparando la próxima reseña del blog y ya no pude dejarlo. Esto demuestra la habilidad del autor para la narración. Si te aventuras en su lectura, lo que te recomiendo sin lugar a dudas, no te decepcionarás.

Guido Tonelli, es profesor de física en la Universidad de Pisa y científico colaborador en el CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas). Ha estado involucrado en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) desde los años 90 y líder del proyecto CMS (Solenoide Compacto de Muones) durante el periodo en el que se confirmó experimentalmente la existencia del bosón de Higgs.

Y de esto va el libro, de una búsqueda, la búsqueda de una esquiva partícula, quizás la partícula más famosa de los últimos tiempos la búsqueda del bosón de Higsgs. Esta partícula tiene la peculiaridad de ser la que da masa a todas las demás, como un anillo que los gobierna a todos, si me permitís la referencia friki a El señor de los anillos.

Ya el título nos adelanta la esencia del funcionamiento del Higgs. En el universo primigenio, tras un periodo inicial en que las partículas no tienen masa, se produce lo que los físicos denominan una ruptura de la simetría y cristaliza un campo, el campo de Higgs, que da una masa diferente a cada tipo de partícula existente. Según el Modelo Estándar de física de partículas los campos interactúan con la materia mediante unas partículas denominadas bosones.

Por tanto, el campo de Higgs, aunque sería más justo decir campo de Higgs-Brout-Englert, interactúa con las partículas a las que les da masa mediante un bosón. A este fenómeno, en el que las partículas del universo primigenio obtienen la masa, es lo que el autor denomina “El nacimiento imperfecto de las cosas”. No deja de ser curioso que esa imperfección sea precisamente la que permite que el universo exista tal como lo conocemos, que se hayan formado los átomos y que permita la existencia de seres como tú y yo.

El libro se inicia con una anécdota del autor, la recogida contra reloj de un traje a medida en una sastrería de Estocolmo, el día antes de asistir a la ceremonia de los Nobel, el diez de diciembre del dos mil trece, donde se entregaría el premio a los físicos Perter Higgs y François Englert por el modelo teórico del mecanismo de Higgs para la masa de las partículas elementales. Y esa anécdota relatada de una forma cálida y llena de emoción nos adelanta cual va a ser el tono general del libro.

Como señala el autor, “El libro no sólo va de física. Va de físicos. De las personas que diseñaron los aparatos, hicieron las mediciones, pronunciaron los eurekas y de las emociones que vivieron tratando de encontrar la partícula más esquiva del universo”. Efectivamente, no hemos de olvidar que tras las frías pero elegantes ecuaciones que describen el universo se encuentran una miríada de científicos. Personas con sus virtudes, sus defectos y sus emociones. Y este libro es un relato, en clave de crónica emocional y en primera persona, de una aventura científica de primera magnitud.

Un relato vibrante de cómo un grupo de jóvenes físicos visionarios se embarcan en un proyecto para construir un detector de tal precisión que necesita de una tecnología que parece inalcanzable en el momento que la formulan. Un desafío que los lleva a recorrer el mundo en busca de los materiales y los ingenieros que se aventuren en construir esa máquina imposible.

Pero también es un relato de cómo se hace la ciencia y de cómo la ciencia no está libre de las miserias humanas como la envidia, el orgullo y el afán de protagonismo. Pero lo que distingue a la ciencia de otras actividades humanas es que sus resultados son objetivables y evaluados por el más riguroso de los jueces: la naturaleza. Los resultados deben poder medirse experimentalmente y reproducirse. Esto obliga a ser muy rigurosos antes de anunciar un descubrimiento. Y de ese rigor también nos habla Tonelli en su libro, de cómo una vez obtenida una evidencia experimental de que algo podría estar sucediendo en torno a los 125 GeV ordena a su equipo que se dedique a explicar mediante cualquier fenómeno alternativo la señal que había obtenido. De la paciencia y el coraje necesario para esperar a confirmar, una y otra vez, mediante todos los mecanismos al alcance, la señal detectada. La ciencia se hace en equipo y es necesaria también la confirmación de la detección de la señal por parte del experimento competidor ATLAS de su colega Fabiola Gianotti.

El autor en el primer capítulo nos hace partícipe de la emoción del explorador: “En los límites del conocimiento estás solo, en un mundo donde solo resuena la intuición de los poetas y la voz de los locos; son los únicos seres humanos que, como nosotros, no temen aventurarse por lugares ignotos, por esta razón los siento cercarnos.” Y no es para menos, pues nos enfrentamos a un desafío intelectual enorme. Los físicos son los cazadores de respuestas, respuestas que vienen dadas como modelos teóricos de la realidad (big bang, inflación cósmica, modelo estándar de partículas, materia y energía oscura) que deben ser confirmados por la experiencia.

Para poder aventurarnos en esos límites se construyen maquinas como el LHC, que nos permiten recrear las condiciones del universo primigenio y buscar respuestas a la gran pregunta: ¿de dónde viene todo lo que nos rodea?

En el segundo capítulo, Tonelli, nos introduce en la historia del bosón, que es la historia del modelo estándar de la física de partículas. Un modelo que nace con la explicación de la desintegración beta, un proceso radiactivo que se caracteriza por la emisión de partículas beta, es decir, electrones, formulado por Fermi como una nueva interacción de la naturaleza. Originalmente  fue conocida como interacción de Fermi y hoy en día se denomina interacción débil. Fermi parte de la hipótesis que esta interacción tiene una fuerte analogía formal con la fuerza electromagnética lo que permitiría construir una teoría que las englobase a ambas. A partir de ahí, y debido a la contribución de grandes científicos como Sheldon Glashow, Steven Weinberg y Adbus Salam, se edifica el Modelo Estándar.

Un modelo de la naturaleza de extrema precisión en sus predicciones que considera la materia constituida por tres familias de quarks y tres de leptones, que al combinarse entre sí producen todo lo que nos rodea. Las doce partículas elementales (seis quarks y seis leptones) interactúan entre sí, intercambiándose otras partículas, los portadores de las cuatro interacciones fundamentales: el fotón (interacción electromagnética), los gluones (interacción fuerte), partículas W y Z (interacción débil) y los gravitones (interacción gravitatoria).

Pero para que ese castillo, que es el modelo estándar, se sostenga es necesario dar respuesta a un problema de fondo: ¿cómo es posible que dos interacciones, la electromagnética y la débil, tas distintas entre sí, sean manifestaciones de una misma fuerza? Lo que se traduce en ¿cómo el fotón, carente de masa, media la misma interacción electrodébil que transportan las partículas pesadas W y Z? La respuesta a estas preguntas es lo que se conoce como la ruptura espontánea de la simetría electrodébil en la que se parte de una situación simétrica en la que las dos fuerzas son la misma. Una vez que se produce la ruptura se separan en dos interacciones independientes. Y ahí es donde aparecen en escena el escocés Peter Higgs y los belgas Robert Brout y François Englert que proponen una explicación: las partículas elementales nacen sin masa y es la interacción con el campo de Higgs lo que proporciona masa a las partículas. A mayor interacción con el campo mayor es la masa.

El resto del libro relata la aventura de la búsqueda del bosón de Higgs mediante la construcción y explotación de uno de los instrumentos científicos más revolucionarios que existen en la actualidad: el LHC o Gran Colisionador de Hadrones. Leer los sucesivos capítulos nos hace partícipes de una empresa compleja y arriesgada como fue el diseño y construcción del LHC, los miedos que generó antes de su primer encendido en 2008 –rumores por Internet que pronosticaban que generaría un agujero negro que se tragaría a la Tierra-, el temor ante el adelanto por el LEP y el Tevatron estadounidense, las decepciones tras la detención del LHC por dos años y la reentrada en funcionamiento en 2010, el cambio de estrategia para operar a 7 TeV y sus implicaciones en la recolección y análisis de datos, la competición entre los experimentos CMS y ATLAS, la falsa alarma del descubrimiento del Higgs por parte del ATLAS (debida a la precipitación en la comunicación de un resultado que luego resulta ser una fluctuación estadística), la complejidad en la detección del bosón y, finalmente, la confirmación de la señal en los 125 GeV, el anuncio público y la concesión del Nobel a los teóricos.

Termina el libro con reflexiones de Guido Tonelli, sobre la importancia de la ciencia, cuestiones de política científica y el horizonte aún desconocido que tenemos por delante. El autor aprovecha para hacer un llamamiento a los jóvenes para que se animen al estudio de carreras científicas y a la investigación.

El nacimiento imperfecto de las cosas
El nacimiento imperfecto de las cosas

Para mí, un buen libro de divulgación científica tiene que ser capaz de acercarnos a tres aspectos de la ciencia: enseñarnos ciencia, enseñarnos cómo se hace la ciencia y ayudarnos a reflexionar sobre la ciencia. En este sentido, El nacimiento imperfecto de las cosas, es un libro redondo, de amena lectura y con un ritmo trepidante como el de la investigación actual en física de partículas en los grandes aceleradores como el LHC.

No queremos terminar esta reseña sin recordar unas hermosas palabras de Tonelli sobre la investigación científica: “Todo científico, al menos una vez en la vida, ha soñado con vivir ese momento mágico en que se asoma por un instante al borde del abismo que señala los confines de nuestro conocimiento y echa un vistazo más allá; y espera que lo que ve y por un momento sólo él conoce cambiará profundamente la visión del mundo, la vida, la sociedad, el futuro de la humanidad. Merece la pena dedicar una vida entera a este sueño”. Ojalá el descubrimiento del bosón de Higgs sea una puerta hacia esa nueva física que nos permita una comprensión más profunda del cosmos.

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