Dándole una denominación totalmente opuesta a la que se propusiera inicialmente (goddamn particle, partícula “maldita sea”), el norteamericano Leon Lederman tituló así un extenso ensayo suyo de 1993, escrito en colaboración con Dick Teresi. Agregó en el subtítulo: “Si el Universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta?”.
Lederman había recibido el Premio Nobel un lustro antes. Finalmente, después de 50 años de haber sido postulado, experimentos en el gran colisionador de hadrones (LHC) del CERN arrojan resultados muy optimistas que se pueden interpretar en la dirección del esperado descubrimiento, el de la elusiva partícula Dios. De confirmarse la existencia del “Bosón de Higos”, el personaje principal de tan atrevida hipótesis, el británico Peter Higgs, no tardará en recibir tan ansiada presea. Einstein había reflexionado muchas décadas antes: “Lo más maravilloso del Universo es que sea inteligible”. Ignoraba que fuera tan difícil descifrarlo. Por eso intentó en vano, durante el resto de su vida, dar con la teoría de la gran unificación. ¿Qué es ese vago objeto que aún permanece en el misterio? Se trata de un hipotético “bosón escalar”, nada menos que el responsable de dotar de masa a las partículas elementales que adquieren esa propiedad.
Todos suponemos saber qué es la masa; ignoramos que tal cualidad es una de las más difíciles de entender. Einstein creyó dar en el clavo con su famosa fórmula, pero eso fue sólo el comienzo del fin de la física clásica. Hay dos tipos de partículas, bosones y fermiones. Un típico bosón, es el fotón, la partícula luz, de hecho el primero acreedor a ese calificativo desde cuando el físico hindú Satyendranath Bose llamara la atención de Einstein sobre una característica especial de ese tipo de partículas. El prototipo de los fermiones, llamados así por otra característica exclusiva que exhiben al ocupar los niveles permitidos de energía, es el electrón. En cierta región, un orbital en un átomo, por ejemplo, no puede haber simultáneamente dos fermiones que tengan los mismos números cuánticos, entre otros la energía y la orientación del espín. Por el contrario, en un sistema bosónico todos ellos pudieran estar en el mismo estado cuántico; de ahí surgió la idea del condensado de Bose-Einstein, materializado a fines del siglo XX, más de 70 años después de ser postulado. Para entonces, Bose había muerto. Al respecto, el Nobel sólo se les otorga a científicos vivos, excusa no del todo válida para que se le hubiera dejado por fuera de la honrosa galería. El fermión lleva ese nombre en honor del físico italiano Enrico Fermi, otro Nobel, quien contribuyó a formular la estadística cuántica que lo caracteriza, la de Fermi-Dirac. La que obedecen los bosones se denomina “estadística de Bose-Einstein”. A diferencia de los fermiones, algunos bosones están desprovistos de masa en reposo. Es lo que ocurre con el fotón, condenado a vagar mientras ‘viva’ precisamente a la velocidad más alta, la de la luz. Rigurosamente hablando, es imposible observar una partícula en reposo.
Sería muy extenso entrar a precisar, así fuera apenas conceptualmente, el significado de cada uno de los términos que buen número de lectores habrá identificado como extraños en el párrafo anterior. Los conceptos fundamentales de la física cuántica son todos muy extraños. Para empezar, la dualidad onda-corpúsculo es uno de ellos: el fotón, un grano mínimo de luz de determinada frecuencia, se comporta para todos los efectos prácticos como onda, “mientras no se le observe”. Einstein recibió el premio mayor por suponer que era una partícula, 100 años después que Thomas Young convenciera a sus contemporáneos de que la luz es una onda. El electrón, la partícula elemental más familiar, la misma que al ser detectada se manifiesta como corpúsculo; entre tanto no se le observe, tiene propiedades de onda; de ahí el término onda de materia, utilizado por primera vez por el francés Luis de Broglie en su tesis de doctorado y cuya hipótesis le valió también la presea mayor.
El comportamiento ondulatorio en sentido cuántico permite diseñar y fabricar microscopios electrónicos, mientras que efectos cuánticos como el tunelamiento hacen posibles otros, miles de veces más potentes que los ópticos, todos indispensables en la ciencia y la tecnología de hoy. El espín, propiedad rigurosamente cuántica que tienen todas las partículas, hadrones, leptones y bosones mensajeros, responsables estos últimos de las interacciones entre las demás partículas, se observó por primera vez en el electrón. Para tener una idea vaga sobre el espín, básico concepto cuántico, se le puede comparar con lo que mantiene a un trompo girando sobre su eje principal. Recuérdese que esta es sólo una analogía: el espín cuántico no tiene análogo clásico. Para no entrar en detalles, contentémonos con saber que los fermiones tienen espín semientero o, en general, fraccionario, y los bosones entero: 0, 1, etcétera. El hipotético bosón de Higgs tiene espín cero.
Hay muchas maneras de decir todo lo anterior. El lenguaje de la teoría cuántica de campos es quizás el más elegante. El Campo de Higgs, como podemos denominar a esa nueva sustancia extraña, llena lo que creíamos vacío. El vacío no existe o, mejor, eso que denominamos universo está densamente poblado de materia o energía. Téngase presente que materia y energía, como lo afirmara Einstein, son una y la misma cosa. Su fórmula E = mc2, la que todo el mundo conoce pero que no fue ciertamente lo que lo convirtió en el científico más célebre y popular de la humanidad entera, es rigurosamente válida. Es necesario entender, para avanzar, que m no es sólo la masa en reposo del objeto que tiene cierta energía E, salvo por la posición que ocupe. Ahí está contenida también la energía de movimiento, denominada cinética, sumada a la energía en reposo. Se sigue intentando cuantificar el campo gravitatorio generalizado por Einstein. De ello depende la unificación definitiva de las interacciones.
Pues, bien, en el universo primitivo –y ese es el que se intenta recrear con los experimentos que se hacen en “la máquina más costosa del planeta”–, prácticamente todas las partículas que lo constituían se movían a la máxima velocidad posible, la velocidad de la luz, según Einstein. En otras palabras, la energía en reposo era o bien rigurosamente nula (partículas sin masa) o bien insignificante, como ocurría con los electrones, positrones, neutrinos y todo lo demás que hubiera en ese caldo primigenio. Las partículas que acabo de mencionar son de la familia de los leptones (partículas livianas). Y aquí viene lo esencial que revelaría el sonado experimento, realmente maravilloso, que consiste en hacer chocar de frente pares protón-antiprotón (hadrones o partículas pesadas) a energías descomunales, cercanas a los 7 TeV, tera-electrón-voltio o millones de millones de eV. La típica unidad de energía a que nos referimos, el eV, es la que adquiriría un electrón si fuera acelerado a través de una diferencia de potencial de 1 voltio. En unidades de energía, la masa de un electrón (en reposo) o de un positrón (su antipartícula) es cercana a medio MeV, mega-electrón-voltio.
Ahora sí vamos al grano. Un bosón de Higgs, un grano de energía del campo de Higgs, tendría una energía de unos 125 GeV: ¡verdaderamente descomunal! Y lo que hemos llamado vacío estaría lleno de esos granos de energía, invisibles para nosotros. Es el paso de una partícula por el campo de Higgs, similar en algunos aspectos a un campo magnético, lo que le da esa característica que en la famosa ecuación de Newton denominamos masa. ¡Así de simple! Nuestro prototipo de bosón, el fotón, un típico fotón ultravioleta, por ejemplo, tiene energías inferiores a 5 eV. ¡Y lo evitamos en lo posible, porque nos quema! Hay otra radiación que no podemos evitar porque lo llena todo; se denomina radiación cósmica de fondo y ha sido hasta hace poco el vestigio de la gran explosión. Ahora tendríamos otro remanente: el campo de Higgs.
Si se quisiera avanzar un poco hacia el meollo del asunto, dando por sentada la existencia de ese extraño campo cuántico que llena el vacío, también poblado del campo de radiación electromagnética o bosones sin masa denominados simplemente luz, la pregunta que se debe responder es: ¿Cómo se mueve una partícula en el campo de Higgs? Para entenderlo someramente, hay que recurrir de nuevo a la esencia de la física cuántica: el principio de indeterminación, o las trayectorias múltiples posibles, una formulación aún más extraña de la teoría cuántica hecha por Richard Feynman. Esto nos alejaría demasiado del propósito de esta nota periodística, y lo dejamos sólo como inquietud para el lector.
* Profesor titular de la Universidad Nacional.
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