La partícula divina (67 page)

A mediados de los años ochenta, la teoría de todo atrajo enormemente a los físicos jóvenes que se inclinaban a la teoría. A pesar del riesgo de invertir largos años y obtener unos beneficios pequeños, siguieron a los líderes (como esos roedores que siguen a otros y se ahogan todos, dirían algunos) hacia la nasa de Planck. Los que se quedaban en el Fermilab y el CERN no recibían tarjetas postales ni faxes. Pero empezó a cundir la desilusión. Algunos de los reclutas estelares de la teoría de todo abandonaron, y enseguida empezaron a llegar autobuses desde la masa de Planck con teóricos frustrados que buscaban algo real que calcular. No es que haya terminado del todo la aventura, pero ahora avanza a un paso más tranquilo, mientras se prueban caminos más tradicionales hacia la unificación.

Estos caminos más populares hacia un principio completo, que todo lo abarque, llevan nombres resultones: gran unificación, modelos constituyentes, supersimetría, technicolor, por citar unos pocos. Todos comparten un problema: ¡no hay datos! Estas teorías hacen un rico potaje de predicciones. La supersimetría, por ejemplo, afectuosamente abreviada «Susy», seguramente la teoría más popular, si votasen los teóricos (y no lo hacen), predice nada menos que una duplicación del número de partículas. Como he explicado, los quarks y los leptones, colectivamente llamados fermiones, tienen todos media unidad de espín, mientras que las partículas mensajeras, llamadas colectivamente bosones, tienen todas una unidad entera. Susy repara esta asimetría añadiendo un bosón que acompañe a cada fermión y un fermión que acompañe a cada bosón. La nomenclatura es terrorífica. El compañero que Susy le da al electrón se llama «selectrón» y los compañeros de todos los leptones se llaman colectivamente «sleptones» Los compañeros de los quarks son los «squarks». A los compañeros del espín un medio de los bosones de espín uno se les da un sufijo, «ino», así que a los gluones se les juntan los «gluinos», y los fotones se asocian a los «fotinos», y tenemos los «winos» (compañeros del W) y «zinos». La listeza no hace una teoría, pero ésta es popular.

La búsqueda de los squarks y los winos seguirá a medida que el Tevatrón vaya aumentando su energía a lo largo de los años noventa y se conecten las máquinas del año 2000. El Supercolisionador que se construye en Texas permitirá que se explore el «dominio de masas» hasta unos 2 TeV. La definición del dominio de masas es muy vaga y depende de los detalles de la reacción que forma una partícula nueva. Con todo, una señal del poder del Supercolisionador es que si no se encuentran partículas Susy con esa máquina, la mayoría de los protagonistas de la teoría Susy coinciden en que abandonarán la teoría en una ceremonia pública durante la que romperán sus lapiceros.

Pero el SSC tiene un objetivo más inmediato, una presa que le urge más que los squarks y sleptones. En cuanto resumen manejable de todo lo que sabemos, el modelo estándar sufre dos defectos de mucho calibre, uno estético, el otro concreto. Nuestro sentido estético nos dice que hay demasiadas partículas, demasiadas fuerzas. Y lo que es peor, esas muchas partículas se distinguen por las masas que se les asignan, aparentemente al azar, a los quarks y a los leptones. Hasta las fuerzas difieren en muy buena medida a causa de las masas de las partículas mensajeras. El problema concreto es de incoherencia. Cuando se les pide a las teorías de los campos de fuerzas, que tan impresionante acuerdo guardan con todos los datos, que predigan los resultados de experimentos que se efectúen a muy altas energías, vomitan absurdos físicos. Cabe iluminar, y puede que resolver, los dos problemas gracias a un objeto, y una fuerza, que deben añadirse con mucho tiento al modelo estándar. El objeto y la fuerza llevan el mismo nombre: Higgs.

Todos los objetos visibles, amigo, no son sino como máscaras de cartón. Pero en cada hecho … algo desconocido, pero que con todo razona, deja ver los rasgos de su rostro por detrás de la máscara, que no razona. ¡Si el hombre quiere golpear, que su golpe atraviese la máscara!

CAPITÁN AHAB

Una de las mejores novelas de la literatura norteamericana es Moby Dick, de Herman Melville. También es de las más frustrantes, por lo menos para el capitán. Durante cientos de páginas oímos hablar del empeño de Ahab por hallar y arponear un enorme mamífero blanco de los océanos llamado Moby Dick. Ahab está quemado. Esa ballena le ha comido una pierna, y quiere venganza. Algunos críticos han sugerido que la ballena le comió un poco más que la pierna, lo que explicaría más adecuadamente el pique del capitán. Ahab le explica a su primer oficial, Starbuck, que Moby Dick es más que una ballena. Es una máscara de cartón; representa una fuerza más honda en la naturaleza a la que Ahab debe enfrentarse. Así que a lo largo de cientos de páginas Ahab y sus hombres van de acá para allá, furiosamente, por el océano, pasando aventuras y desventuras, matando montones de ballenas más pequeñas, de diferentes masas. Al final, por allá resopla: la gran ballena blanca. Y entonces, en una rápida sucesión, la ballena ahoga a Ahab, mata a los demás arponeros y por si las moscas hunde el barco. Fin de la historia. Pues vaya. Quizá le habría hecho falta a Ahab un arpón mayor, que las restricciones presupuestarias del siglo XIX no hacían posible. Que no nos pase a nosotros. La Partícula Moby está a tiro de piedra.

Tenemos que hacer esta pregunta acerca de nuestro modelo estándar: ¿es tan sólo una máscara de cartón? ¿Cómo es posible que una teoría concuerde con todos los datos a bajas energías y prediga cosas sin sentido a altas energías? La respuesta es dar a entender que la teoría deja algo fuera, algún fenómeno nuevo que, cuando se instale en la teoría, contribuirá insignificantemente a niveles de energía, digamos, como el del Fermilab, pero lo hará de forma rotunda en el Supercolisionador o a energías mayores. Cuando una teoría no incluye esos términos (porque no los conocemos), nos salen resultados matemáticos incoherentes a esas energías grandes.

Es un poco como lo que pasa con la teoría newtoniana, que funciona con mucho éxito para los fenómenos ordinarios pero predice que podemos acelerar un objeto hasta una velocidad infinita; esta consecuencia inverosímil queda totalmente contradicha cuando se emplea la teoría de la relatividad especial de Einstein. El efecto de la teoría de la relatividad a las velocidades de las balas y los cohetes es infinitesimalmente minúsculo. Pero a velocidades que estén cerca de la velocidad de la luz, aparece un nuevo efecto: las masas de los objetos que se aceleran van haciéndose mayores, y las velocidades infinitas se vuelven imposibles. Lo que pasa es que la relatividad especial se funde con los resultados newtonianos a velocidades que son pequeñas comparadas con la velocidad de la luz. El punto débil de este ejemplo es que la idea de una velocidad infinita podría quizá haber inquietado a los newtonianos, pero no era en absoluto tan traumática como lo que le pasa al modelo estándar a grandes energías. Volveremos a esto más adelante.

He insinuado la función de la partícula de Higgs como dadora de masa a las partículas que no la tienen, disfrazando así la verdadera simetría del mundo. Es una idea nueva y extraña. Hasta aquí, como hemos visto en nuestra historia-mito, se conseguía la simplicidad hallando subestructuras: la idea democritiana del atomos. Y así fuimos de las moléculas a los átomos químicos, a los núcleos, a los protones y a los neutrones (y sus numerosos parientes griegos), y a los quarks. La historia le haría a uno esperar que ahora revelaríamos a la gentecilla que hay dentro del quark, y es cierto que todavía puede que eso ocurra. Pero la verdad es que no creemos que sea esa la manera en que vendrá la tan esperada teoría completa del mundo. Quizá se parezca más al calidoscopio al que me referí antes, donde unos cuantos espejos divisores convierten unos pocos pedazos de cristal coloreado en una miríada de diseños aparentemente complejos. El propósito final del Higgs (esto no es ciencia, es filosofía) podría ser crear un mundo más divertido, más complejo, como se daba a entender en la parábola con la que hemos empezado este capítulo.

La idea nueva es que el espacio entero contiene un campo, el campo de Higgs, que impregna el vacío y es el mismo en todas partes. Es decir, que cuando miramos las estrellas en una noche clara estamos mirando el campo de Higgs. Las partículas, influidas por este campo, toman masa. Esto no es por sí mismo destacable, pues las partículas pueden tomar energía de los campos (
gauge
) de los que ya hemos hablado, del campo gravitatorio o del electromagnético. Por ejemplo, si llevas un bloque de plomo a la punta de la torre Eiffel, el bloque adquirirá energía potencial a causa de la alteración de su posición en el campo gravitatorio de la Tierra. Como
E = mc²
, ese aumento de la energía potencial equivale a un aumento de la masa, en este caso la masa del sistema Tierra-bloque de plomo. Aquí hemos de añadirle amablemente un poco de complejidad a la venerable ecuación de Einstein. La masa,
m
, tiene en realidad dos partes. Una es la masa en reposo,
m
₀
, la que se mide en el laboratorio cuando la partícula está en reposo. La partícula adquiere la otra parte de la masa en virtud de su movimiento (como los protones en el Tevatrón) o en virtud de su energía potencial en un campo. Vemos una dinámica similar en los núcleos atómicos. Por ejemplo, si separáis el protón y el neutrón que componen un núcleo de deuterio, la suma de las masas aumenta.

Pero la energía potencial tomada del campo de Higgs difiere en varios aspectos de la acción de los campos más familiares. La masa tomada del Higgs es en realidad masa en reposo. De hecho, en la que quizá sea la versión más apasionante de la teoría del campo de Higgs, éste genera
toda
la masa en reposo. Otra diferencia es que la cantidad de masa que se traga del campo es distinta para las distintas partículas. Los teóricos dicen que las masas de las partículas de nuestro modelo estándar miden con qué intensidad se acoplan éstas al campo de Higgs.

La influencia del Higgs en las masas de los quarks y de los leptones le recuerda a uno el descubrimiento por Pieter Zeeman, en 1896, de la división de los niveles de energía de un electrón cuando se aplica un campo magnético al átomo. El campo (que representa metafóricamente el papel del Higgs) rompe la simetría del espacio de la que el electrón disfrutaba. Por ejemplo, un nivel de energía, afectado por el imán, se divide en tres; el nivel A gana energía del campo, el nivel B la pierde y el nivel C no cambia en absoluto. Por supuesto, ahora sabemos por completo cómo pasa todo esto. Es simple electromagnetismo cuántico.

Hasta ahora no tenemos ni idea de qué reglas controlan los incrementos de masa generados por el Higgs. Pero el problema es irritante: ¿por qué sólo esas masas —las masas de los
W
⁺
,
W
⁻
y
Z°
, y el
up
, el
down
, el encanto, el extraño, el
top
y el
bottom
, así como los leptones— que no forman ningún patrón obvio? Las masas van de la del electrón, 0,0005 GeV, a la del
top
, que tiene que ser mayor que 91 GeV. Deberíamos recordar que esta extraña idea —el Higgs— se empleó con mucho éxito para formular la teoría electrodébil. Allí se propuso el campo de Higgs como una forma de ocultar la unidad de las fuerzas electromagnética y débil. En la unidad hay cuatro partículas mensajeras sin masa —los
W
⁺
,
W
⁻
,
Z°
y el fotón— que llevan la fuerza electrodébil. Además, está el campo de Higgs, y, presto, los W y Z chupan la esencia del Higgs y se hacen pesados; el fotón permanece intacto. La fuerza electrodébil se fragmenta en la débil (débil porque los mensajeros son muy gordos) y la electromagnética, cuyas propiedades determina el fotón, carente de masa. La simetría se rompe espontáneamente, dicen los teóricos. Prefiero la descripción según la cual el Higgs oculta la simetría con su poder dador de masa. Las masas de los W y el Z se predijeron con éxito a partir de los parámetros de la teoría electrodébil. Y las relajadas sonrisas de los teóricos nos recuerdan que Hooft y Veltman dejaron sentado que la teoría entera está libre de infinitos.

Me demoro en esta cuestión de la masa en parte porque ha estado conmigo durante toda mi vida profesional. En los años cuarenta el problema parecía bien enfocado. Teníamos dos partículas que servían de ejemplo del problema de las masas: el electrón y el muón. Parecía que eran iguales en todos los aspectos, sólo que el muón pesaba doscientas veces más que su primo poca cosa. Que fueran leptones, insensibles a la interacción fuerte, hacía más intrigante el asunto. Me obsesioné con el problema e hice del muón mi objeto favorito de estudio. El propósito era intentar dar con alguna diferencia, que no fuera la masa, entre los comportamientos del muón y del electrón que sirviera de indicio de cuál era el mecanismo de las diferencias de masas.

Los núcleos captan a veces un electrón, y se producen un neutrino y un núcleo que retrocede. ¿Puede el muón hacer eso? Medimos el proceso de captura de muones y, ¡bingo, el mismo proceso! Un haz de electrones de alta energía dispersa a los protones. (Esta reacción se estudió en Stanford.) Medimos la misma reacción en Brookhaven con muones. Una pequeña diferencia en los ritmos nos tuvo encandilados durante años, pero no salió nada de ella. Hasta descubrimos que el electrón y el muón tienen neutrinos compañeros distintos. Y ya hemos comentado el experimento g menos 2 superpreciso, en el que el magnetismo del muón se midió y comparó con el del electrón. Excepto por la masa extra, eran lo mismo.

Todos los esfuerzos por hallar una pista de cuál era el origen de la masa fallaron. Feynman escribió su famosa pregunta: «¿Por qué pesa el muón?». Ahora, por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa. Una voz estentórea dice: «¡Higgs!». Durante cincuenta años o así nos hemos roto la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo de Higgs presenta el problema en un contexto nuevo; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común para todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas de la materia?

La variación de la masa con el estado de movimiento, el cambio de la masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas —el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente— tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen en entredicho que el concepto de masa sea un atributo fundamental de la materia. Tenemos que recordar el cálculo de la masa que daba infinito y nunca resolvimos; sólo nos deshicimos de él «renormalizándolo». Ese es el trasfondo con el que hemos de encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas. Hace que nuestra historia del Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrínseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno. La idea de que la masa no es intrínseca como la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían una simetría satisfactoria, la quiral, en la que los espines estarían asociados para siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.