El bosón de Higgs
El bosón de Higgs es una partícula elemental asociada al campo de Higgs, un campo cuántico invisible que llena todo el espacio y que otorga masa a las partículas fundamentales del universo.
El bosón de Higgs aparece cuando el campo de Higgs se excita u oscila tras una interacción que libera una enorme cantidad de energía.
Fue descubierto en 2012 en el CERN, en Ginebra, gracias a los experimentos ATLAS y CMS realizados con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Este hallazgo confirmó una idea propuesta en los años sesenta por Peter Higgs y otros físicos teóricos: que la masa de las partículas tiene su origen en este campo invisible.
Una manera sencilla de imaginarlo es pensar en el campo de Higgs como el agua de un océano. El bosón de Higgs sería como una ola que se forma en su superficie, viaja un instante y luego se disuelve.
Nota. El bosón de Higgs no surge porque existan partículas masivas dentro del campo. Es una excitación cuántica propia del campo de Higgs, que solo aparece cuando este se ve alterado por una cantidad inmensa de energía, como la que generan las colisiones de partículas en el LHC.
¿De dónde viene la masa?
En el Modelo Estándar de la física de partículas existen varios tipos de partículas fundamentales (electrones, quarks, neutrinos, fotones, etc.). Algunas tienen masa - como el electrón o los bosones W y Z - , mientras que otras, como el fotón, no la tienen.
En 1964, Peter Higgs y otros físicos propusieron que el universo está impregnado por un campo cuántico invisible: el campo de Higgs. Este campo existe en todas partes, incluso en lo que consideramos vacío.
Se trata de un campo escalar, lo que significa que en cada punto del espacio tiene un único valor, a diferencia de los campos vectoriales - como el eléctrico o el magnético - , que tienen magnitud y dirección.
Una característica clave del campo de Higgs es que nunca desaparece por completo, ni siquiera en el vacío. En física se dice que tiene un valor esperado del vacío (VEV) distinto de cero. En otras palabras, todo el universo está inmerso en una especie de "mar" invisible de energía.
Cómo el campo de Higgs genera masa
Cuando una partícula se mueve a través de este campo omnipresente, interactúa con él. Cuanto más intensa es esa interacción, mayor es la masa inercial que adquiere la partícula.
Las partículas que interactúan con fuerza, como el quark top, son muy masivas. Las que lo hacen débilmente, como el electrón, son ligeras. Y las que no interactúan, como el fotón, permanecen sin masa.
Nota. Imagina que el campo de Higgs es una multitud en una acera. Una partícula pesada sería una persona famosa que, al avanzar, es rodeada por admiradores que la frenan. Una partícula ligera sería un transeúnte común que atraviesa la misma multitud sin ser detenido.
Desde el punto de vista teórico, la masa se origina a través del acoplamiento de Yukawa entre los fermiones y el campo de Higgs.
El bosón de Higgs es, en realidad, la vibración cuántica del propio campo de Higgs.
El descubrimiento de 2012 en el CERN confirmó experimentalmente que este campo no es una simple hipótesis, sino una realidad física que forma parte esencial del universo.
El campo de Higgs no explica toda la masa del universo
El campo de Higgs solo explica la masa de las partículas fundamentales del Modelo Estándar, no la de la materia compuesta como los protones y los neutrones.
Gracias al campo de Higgs, las partículas elementales (electrones, quarks y bosones W y Z) tienen masa en reposo. Sin él, serían sin masa y viajarían todas a la velocidad de la luz.
El campo de Higgs rompe espontáneamente la simetría electrodébil y, mediante sus interacciones de Yukawa, asigna a cada partícula una masa proporcional a su acoplamiento con el campo.
Esta parte de la masa total del universo se genera directamente a través del mecanismo de Higgs.
Sin embargo, no toda la masa del universo proviene de este campo.
La mayor parte de la materia visible - los protones y neutrones - está compuesta por quarks y gluones, que se mantienen unidos por la fuerza nuclear fuerte, descrita por la Cromodinámica Cuántica (QCD).
La masa de un protón o un neutrón no es la simple suma de las masas de sus tres quarks de valencia. Más del 98 % de su masa proviene de la energía de enlace de los gluones que confinan a los quarks. La masa combinada de los quarks representa solo alrededor del 1 % del total. El resto proviene de la energía cinética y potencial de los quarks y gluones dentro del nucleón. Según la famosa ecuación de Einstein \(E = mc^2\), esa energía se manifiesta como masa.
La materia común está formada, en su mayor parte, por energía confinada en el campo de gluones.
En otras palabras, estamos hechos principalmente de energía atrapada por la interacción fuerte, más que de masa producida por el mecanismo de Higgs.
Por eso, la mayor parte de la masa del universo no proviene del campo de Higgs, sino de la dinámica de la fuerza fuerte.
El potencial del campo de Higgs
Al principio del universo, el campo de Higgs se encontraba en un estado perfectamente simétrico, con valor nulo en todo el espacio. Pero ese equilibrio era inestable y el campo acabó cayendo a un estado de menor energía.
Imagina una pequeña esfera en equilibrio sobre la cima de un sombrero mexicano. La altura de la superficie representa la energía potencial del campo de Higgs: cuánta energía se necesita para mantenerlo en una determinada configuración.
El vértice del sombrero corresponde a un máximo local, un equilibrio inestable en el que el universo sería perfectamente simétrico y todas las partículas estarían sin masa.
Una mínima fluctuación cuántica basta para romper esa simetría, como una esfera que comienza a deslizarse desde la cima.
Este fenómeno se conoce como ruptura espontánea de la simetría.
Después ocurre un proceso llamado relajación del campo de Higgs, durante el cual el campo desciende hacia un estado de energía más baja.
Finalmente, el campo se estabiliza en una configuración de energía mínima, adquiriendo un valor esperado del vacío distinto de cero incluso en el vacío del espacio.
En esta fase de simetría rota, algunas partículas - como los bosones W y Z, los quarks y los electrones - adquieren masa al interactuar con el campo, mientras que otras - como el fotón - permanecen sin masa.
Hoy el universo se encuentra en este estado de vacío estable, ya no "en la cima" del sombrero.
Incluso en este estado de equilibrio, el campo de Higgs puede sufrir pequeñas oscilaciones alrededor de su valor mínimo, como una esfera que vibra suavemente en el fondo del valle. Esas oscilaciones cuánticas son los bosones de Higgs observados en los experimentos.
En resumen, el campo de Higgs es el "valle" donde reposa la esfera, y el bosón de Higgs es la "vibración" de esa esfera en el fondo del valle.
Así, el descubrimiento del bosón de Higgs no solo confirmó una teoría, sino que completó una pieza esencial del rompecabezas que explica cómo el universo adquiere su masa.
¿Equilibrio estable o metaestable?
Según la física teórica, el mínimo actual del potencial de Higgs parece ser un mínimo local, no el mínimo global absoluto del campo.
Esto significa que el universo podría estar en un estado metaestable, conocido como "falso vacío". En teoría, este estado podría transformarse algún día en un "vacío verdadero", con una energía potencial aún menor.
Sin embargo, las estimaciones actuales basadas en las mediciones de la masa del bosón de Higgs (≈125 GeV) y del quark top indican que la probabilidad de que ocurra esa transición es extremadamente baja. Si llegara a producirse, sucedería en escalas de tiempo mucho mayores que la edad actual del universo, por lo que no supone ningún riesgo imaginable en el futuro previsible.
Por ahora, el universo parece estar cómodamente instalado en su estado actual. Y el debate científico sobre la estabilidad del vacío continúa abierto.
