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El Premio Nobel de Física 2013, una predicción confirmada Destacado

Fernando Cornet, Catedrático de Física Teórica Departamento de Física Teórica y del Cosmos, CAFPE - Universidad de Granada

A lo largo de los últimos 15 dias se ha producido en las redes sociales y blogs especializados un amplio debate acerca de quién iba a recibir el Premio Nobel de Física de este año. Casi todo el mundo estaba de acuerdo en que el principal candidato era Peter Higgs (Universidad de Edimburgo) difiriendo, sin embargo en quién le acompañaría en esta distinción. En la mañana de hoy, 8 de octubre, la Academia de Ciencias Sueca ha confirmado la predicción y ha desvelado el misterio. El Premio Nobel de Física ha sido concedido a Peter Higgs y François Englert (Universidad Libre de Bruselas) por “El descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestra comprensión del origen de las masas de las partículas subatómicas y que ha sido recientemente confirmado por los experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC) en el CERN”.  Los trabajos premiados ahora por la Academia se publicaron en 1964. Se trata, por lo tanto de un premio concedido por una predicción teórica formulada hace casi 50 años, que se ha visto confirmada en el año 2012 por los dos experimentos mencionados en la cita. Pero, ¿qué es el Bosón de Higgs? y ¿cuál es su relevancia? Para responder a estas preguntas debemos presentar y hacer un rápido repaso a los componentes más fundamentales de la materia y a sus interacciones.

 

Desde hace tiempo sabemos que la materia está formada por átomos, que no son elementales. Están constituidos por un núcleo de carga eléctrica positiva, formado por protones y neutrones, y una serie de electrones  de carga eléctrica negativa alrededor del núcleo de forma que la carga total del átomo es cero. Hasta mitad del Siglo XX se pensaba que los electrones, protones y neutrones eran elementales, es decir, indivisibles. Sin embargo, hace ahora unos 50 años se vio que no era así. Los protones y neutrones están constituidos por unas partículas más elementales llamadas quarks. De hecho los protones están formados por dos quarks de tipo u y un quark de tipo d, mientras que los neutrones están constituidos por dos quarks de tipo d y un quark de tipo u. Posteriormente, se ha descubierto la existencia de 4 tipos de quarks más (s, c, b y t) que se desintegran muy rápidamente, tan rápidamente que no pueden formar parte de la materia ordinaria por lo que solo se pueden observar en el laboratorio. El electrón, por su parte, sí es elemental y es el miembro más representativo de un grupo de partículas llamado leptones. En total hay también 6 leptones: el electrón, el muón, el tau y tres neutrinos asociados a cada uno de los anteriores.

Las partículas elementales interaccionan entre sí mediante tres tipos de interacción diferentes (un cuarto tipo, la gravedad, es extremadamente débil como para ser relevante en los experimentos actuales): la interacción fuerte, la electromagnética y la débil descritas por el llamado Modelo Estándar. Los quarks son los únicos que sufren la interacción fuerte, mientras que la interacción electromagnética actúa sobre todas las partículas con carga eléctrica (es decir, todas menos los neutrinos) y la interacción débil actúa sobre las 12 partículas de la lista anterior. Todas estas interacciones se producen mediante el intercambio de unas nuevas partículas. Así cuando dos electrones, por ejemplo, interaccionan electromagnéticamente, se están intercambiando fotones (el cuanto del campo electromagnético). De la misma forma cuando dos quarks interaccionan fuertemente se están intercambiando gluones y cuando dos partículas interaccionan débilmente se intercambian otras llamadas W y Z.

A principios de los años 60 del pasado siglo Sheldon Glashow formuló una teoría que describía y unificaba las interacciones electromagnéticas y débiles en lo que hoy llamamos interacción electrodébil, por lo que se le concedió el Premio Nobel de Física en el año 1979 junto con Steven Weinberg y Abdus Salam. El gran problema de esta teoría era que, si bien describía adecuadamente las interacciones entre las partículas elementales, no se podía introducir de una forma consistente las masas de las mismas. Sin embargo es bien conocido desde el siglo XIX que el electrón tiene masa y no es la única partícula con masa. Todas las demás (salvo el fotón y los gluones) tienen masa que ha sido bien medida. Este es el problema que Brout y Englert por una parte y Higgs por otra vinieron a resolver de forma independiente en 1964 (Lamentablemente Brout ha fallecido ya por lo que, según las normas del Premio Nobel, no puede recibir el premio). Como dice la cita de la concesión del premio encontraron un mecanismo que permite introducir masas sin modificar aquella parte de la teoría que describía satisfactoriamente las interacciones. Para ello introdujeron un nuevo campo de forma que son las interacciones de las partículas con ese campo las responsables de la masa de las mismas. Una consecuencia inevitable de este mecanismo es la predicción de la existencia de una nueva partícula asociada al campo introducido por Englert y Higgs de forma análoga a como el fotón está asociado al campo electromagnético. Esta partícula recibe el nombre de Bosón de Brout-Englert-Higgs (aunque tradicionalmente se le ha venido llamando Bosón de Higgs debido a un olvido histórico en el que no ha caído la Academia Sueca).

El 4 de julio de 2012 en el auditorio principal del CERN completamente abarrotado, con la presencia de Englert y Higgs en la audiencia y retransmitido en directo por internet a todo el mundo,  los portavoces de los experimentos ATLAS (Fabiola Gianotti) y CMS (Jim Incandela) anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula elemental cuyas propiedades eran compatibles con las predichas para el Bosón de Brout-Englert-Higgs. Desde entonces y hasta el cierre por mantenimiento del LHC ambos experimentos han seguido tomando y analizando más datos, confirmando que la nueva partícula es, hasta donde podemos afirmar, un Bosón de Higgs. Esta confirmación, 48 años después de la predicción, junto con el papel destacado que forma el Mecanismo de Brout-Englert-Higgs, son los ingredientes que sin duda han llevado a la Academia Sueca a conceder el Premio Nobel de Física 2013 a estos dos investigadores.

 

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