Fermiones y Bosones ( Bosón de Higgs)

Por:Javier Flores

Toda la materia visible, de la que están hechas las estrellas y nosotros mismos, está formada por átomos cuya estructura básica es un núcleo rodeado por una nube de electrones. Dependiendo de sus características, forman todos los elementos conocidos, como el hidrógeno, el oxígeno, el sodio, el cloro, etcétera, los cuales al unirse forman moléculas como el agua, la sal y estructuras tan complejas como los planetas y las galaxias o las células del cerebro humano. Así, en el nivel atómico se encuentran las claves para entender cómo está formado el universo, cómo se originó y, por decirlo de algún modo, cuál es su destino.

 

Originalmente se pensó que los átomos eran indivisibles; sin embargo, actualmente se sabe que no es así. Los elementos constituyentes del núcleo atómico (protones y neutrones), por ejemplo, están formados a su vez por elementos más pequeños (los quarks). De este modo, la estructura del átomo es en realidad una constelación de corpúsculos microscópicos, algunos de los cuales, hasta donde sabemos, ya no pueden dividirse, y se les conoce como partículas elementales. Hay dos tipos básicos: los fermiones y los bosones.

Durante el siglo XX se demostró la existencia de gran variedad de partículas, entre ellas los quarks ya mencionados (de los que hay seis variedades), los neutrinos (con tres tipos diferentes) y los leptones (que incluyen, además de los ya conocidos electrones, a los muones y los tauones). A todos ellos se les denomina en conjunto fermiones, en honor al genial físico italiano Enrico Fermi (1901-1954), y son, por decirlo así, la materia que integra los átomos.

Un aspecto muy importante es cómo interactúan o, dicho de otra manera, cómo funcionan estos fermiones (en una especie de fisiología atómica, si se me permite el símil). Para ello se requiere de otras partículas que actúan de intermediarias y éstas son los bosones, llamados así para honrar al físico hindú Satyendra Nath Bose (1894-1974), de los cuales se han identificado con certeza seis (fotón, gluón, W, Z, pión y kaón). Los bosones serían los mediadores en las fuerzas que operan a nivel atómico y en el conjunto del universo.

Algunos ejemplos: los gluones (de glue, pegamento en inglés) son los bosones que mantienen fuertemente unidos a los quarks en el interior del núcleo atómico; sin ellos éstos se desintegrarían y no existiría nada de lo que conocemos, incluidos nosotros. Son los causantes de las llamadas interacciones nucleares fuertes, una de las cuatro fuerzas presentes en el universo.

Otro ejemplo son los fotones. Las partículas que tienen carga eléctrica interactúan mediante el intercambio de fotones, los cuales son los intermediarios de la fuerza electromagnética. Existen además las fuerzas nucleares débiles, mediadas por los bosones W y Z. Esta fuerza débil permite explicar, por ejemplo, el decaimiento beta, asociado a la radiactividad (hay además una cuarta fuerza, la gravitacional, que supondría la intermediación de un bosón, hasta ahora hipotético, llamado gravitón, que no forma parte del modelo estándar).

El modelo estándar es una formulación teórica que intenta describir cuáles son las partículas fundamentales y las interacciones que hay entre ellas. A partir del comportamiento de unos cuantos elementos conocidos, es posible deducir teóricamente (matemáticamente) cuáles son las partículas y mediadores faltantes en el modelo, lo que permitiría explicar cabalmente la estructura y comportamiento de los átomos… y del universo. De este modo, muchos de los fermiones y bosones que he mencionado han surgido primero como ideas en la mente de los físicos más brillantes, pero deben enfrentar una prueba muy difícil: la confirmación experimental de su existencia.

Una de las grandes lagunas en el modelo estándar ha sido cómo explicar que las partículas adquieran masa. Hay unas más masivas que otras, e incluso algunas, como los fotones, que carecen de ella. Mayor masa significa mayor inercia (la tendencia a preservar su estado de movimiento). Las de masa cero, como el fotón, se desplazan a la velocidad de la luz. En los años 60 del siglo XX diversos grupos de científicos propusieron de forma más o menos simultánea una solución a este enigma, entre ellos el físico británico Peter Ware Higgs.

La idea consiste en que la masa depende de la manera en que las partículas interaccionan con un campo (el campo de Higgs) que se extiende por todo el universo, y esta acción es mediada por una partícula (el bosón de Higgs). Todos los cálculos dentro del modelo estándar concordaban con esta teoría. Sin embargo, faltaba la máxima prueba: demostrarla de forma experimental.

La metodología para probar su existencia constituye uno de los proyectos más grandes y ambiciosos desarrollados por la especie humana para responder a preguntas sobre la estructura de la materia: el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), en el que han participado destacados científicos mexicanos. Sobre sus características no me puedo detener ahora por razones de espacio. El pasado 4 de julio, después del análisis de miles de millones de colisiones provocadas entre protones, los detectores de partículas instalados en el LHC registraron una señal compatible con el ansiadamente buscado bosón de Higgs. La noticia fue dada a conocer por los expertos con las precauciones del caso, pues se requiere de mayor análisis para estar completamente seguros del hallazgo.

A menudo surge la pregunta sobre la importancia de un descubrimiento tan relevante como puede ser éste. Además de la utilidad práctica que seguramente se derivará de la compleja instrumentación empleada en campos como la medicina, la energía y otros, a mi juicio se justifica con creces simplemente por satisfacer la necesidad de saber. Encontrar respuestas a preguntas que han ocupado por siglos la atención de la humanidad, entre ellas: ¿cómo empezó?