Hasta hace poco sabíamos que, desde un punto de vista microscópico, todas las cosas —incluidas las personas— están constituidas por átomos. Lo que no sabíamos es que el vacío no es tal, pues contiene una partícula encargada de dar cuerpo, forma y cohesión a toda la materia visible. El siguiente paso es saber si de este conocimiento se puede derivar una explicación de la dinámica del universo a escala planetaria y estelar.
Cuando el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares anunció el descubrimiento del Higgs el 4 de julio de 2012, se estimó que la palabra Higgs aparecía en boletines de noticias cada 72 segundos.
Aun cuando la gente ajena al mundo académico entendía poco del asunto, la emoción de los físicos fue suficiente para contagiar y convertir el tema en conversación de elevadores, por lo menos mientras llegaba el siguiente partido de fútbol.
El Diccionario de la Real Academia Española diría que la palabra higgsteria se refiere al estado pasajero de excitación nerviosa producido por la súbita aparición de una partícula denominada Higgs, pero no lo hace. No existe tal palabra en el Diccionario. No obstante, si existiera, la concordancia sonora con histeria indicaría también un “comportamiento irracional de un grupo o multitud, producto de una alteración de ánimo derivada del Higgs”.
Esta es la mejor manera de describir el fenómeno que de forma escrita puede leerse en títulos como estos:
• “La energía oscura puede ser hija del bosón de Higgs” [Lisa Grossman, New Scientist, 21 de agosto de 20131], donde se plantea la posibilidad de que exista un nuevo campo escalar que podría interactuar con el Higgs a muy alta energía. Aunque este campo tenga energía cero, al acoplarse con el campo de Higgs adquiriría energía que explicaría a la misteriosa energía oscura.
• “Higgsogenesis”, donde, además de explicar las masas de las partículas elementales, se encuentra que el Higgs podría ser el responsable de que el universo esté hecho de materia y no de antimateria.2
El Higgs parece tener poderes con los que nunca habíamos soñado. Está siendo usado para explicar todo lo que aún tenemos que explicar en la física moderna. La histeria colectiva le ha otorgado a “la partícula de Dios” la categoría de remedio de todos los males. Sin embargo, y aunque los ataques convulsivos de paroxismo son pasajeros, no está mal, en medio de la exaltación, acotar el descubrimiento y subrayar las cualidades de la nueva partícula. En ese sentido creo que, entre los atributos indiscutibles y las consecuencias medulares del descubrimiento, existen dos vertientes de gran relevancia: la que se debe al mecanismo mediante el cual las partículas de materia y las partículas de fuerza adquieren masa y la que parece ser una fascinante posibilidad de que el Higgs sea el protagonista principal de la inflación en el universo temprano.
La primera de las facetas del Higgs es ampliamente aceptada. La idea de que en esta partícula subyace el mecanismo responsable de la masa fue la propuesta original de Peter Higgs, François Englert, Robert Brout y otros.
Existen en la naturaleza campos de materia que se manifiestan como partículas —hoy sabemos que existen 12 partículas elementales de las cuales seis son quarks y seis son leptones. Estas partículas interaccionan a través de tres campos —llamados campos de fuerza— para componer estructuras más complejas, como los protones o neutrones que forman los núcleos de los átomos. Los campos de fuerza representan las interacciones conocidas en el mundo microscópico: fuerza electromagnética, fuerza débil y fuerza fuerte. El campo gravitacional no juega un papel en esta descripción y tampoco deja sentir sus efectos entre las partículas elementales.
Además de los campos de materia y de los campos de fuerza que forman lo que nos rodea, existe un campo que lo permea todo y que está presente en el vacío. Sin él, la materia ordinaria de la que estamos hechos no existiría. El campo de Higgs interacciona con los campos de materia y con los campos de fuerza para dar masa a las partículas que la tienen y dejar sin ella a las que viajan a la velocidad de la luz.
Este campo habita en el vacío, de manera tal que para la física moderna el vacío no es la nada, como uno podría pensar. El vacío está lleno de Higgs y como todo se mueve en el vacío, todo atraviesa necesariamente esta sustancia. Las propiedades del vacío son pues las que determinan el comportamiento de las cosas.
Decir que el vacío tiene propiedades físicas es decir mucho; la aseveración es tan radical que cala muy hondo en nuestra visión del universo. La observación reciente del Higgs es la confirmación de esta visión, y esto es, sin duda, el aspecto más importante del descubrimiento.
En segunda línea, se plantea la especulación de que el Higgs sea el campo que hizo posible la inflación cósmica. Esta idea será difícil de establecer con certeza pero es una consecuencia muy interesante de la naturaleza del Higgs como campo escalar con energía base negativa. Este hecho lo hace extremadamente atractivo para jugar un papel tan crucial como el de estabilizar el universo en que vivimos cuando este surgió de una fluctuación del vacío.
Actualmente pensamos que las fluctuaciones de la nada que dieron origen a nuestro mundo debieron ocurrir muchas veces en un proceso de creación y aniquilación continuo y sin mayores consecuencias. La aparición y desaparición de universos es parte de una frenética actividad en el vacío que la mayoría de las veces no desemboca en nada. La naturaleza cuántica de las cosas es la responsable de que, en la afortunada ocasión que nos ocupa, la chispa original sufriera una transformación germinal. Esta transformación generadora es la inflación cósmica.
Cuando el universo nació hace 13 mil 800 millones de años, las partículas sin masa se movían a la velocidad de la luz. El universo era un resplandor de partículas lumínicas incapaces de formar estructuras. Cuando apenas habían transcurrido 10-36 segundos —es decir, un punto seguido de 35 ceros con un uno al final—, ocurrió algo inusitado: el universo creció de manera descomunal. Pasó de un tamaño que era miles de millones de veces menor al tamaño de un protón, a las dimensiones de una naranja. Este fenómeno, conocido como inflación, se desarrolló en un tiempo inimaginablemente corto: 10-35 segundos (i.e. un punto seguido de 34 ceros con un uno al final de la larga serie).
La inflación cósmica es de fundamental importancia. Es gracias a este repentino crecimiento que el universo se estabilizó dando lugar a alteraciones que habrían de perdurar y originando más tarde estructuras gigantescas como las galaxias. La inflación es el origen mismo del universo. La diminuta chispa de luz que había surgido de la nada hubiese desaparecido enseguida de no ser por la inmediata dilatación del espacio y del tiempo. ¿Cómo pudo ocurrir algo así?, ¿cómo un minúsculo ápice puede aumentar su tamaño vertiginosamente?
Uno aprende en la escuela que la energía es la capacidad para realizar trabajo. La energía ordinaria es positiva porque a partir de ella podemos hacer algo. Sin embargo, para que el universo no se contrajera muy al comienzo bajo la influencia de las fuerzas que surgieron con él, debió haber existido una forma diferente de energía. Al principio, debió haber existido energía negativa, es decir, una cantidad de energía menor que cero. Pensar en esta es como pensar que hemos agotado la energía de una batería y, cuando esta se ha terminado y no queda más, continuamos extrayendo energía de ella para dejarla con menos que nada.
Si consideramos que muy al principio existió un campo con energía negativa, este debió haber expandido el microscópico universo. Algo así pudo ser la causa del portentoso crecimiento que nos hizo posibles. El inflatón sería el campo cuántico necesario. Con ese nombre se designa la partícula asociada que ocasionó la inflación. Los cosmólogos han pensado siempre que esta sustancia dejó de existir en las primeras etapas del universo. Pero podría no ser así.
Los cosmólogos que proponen la existencia del inflatón le atribuyen naturaleza escalar, es decir que se trata de un campo que no tiene dirección ni sentido. Un campo escalar solo tiene una magnitud numérica en cada punto del espacio, tal como la distribución de temperaturas —la temperatura toma valores distintos en cada punto de una región del espacio pero no tiene dirección ni sentido. En cambio, los vientos en un mapa meteorológico sí especifican una dirección, una magnitud y un sentido para denotar la orientación, la velocidad y la manera como se mueven en cada punto del espacio. El campo escalar inflatón debió tener una energía negativa como energía base capaz de producir la presión negativa necesaria para impulsar la inflación.
El Higgs parece tener todas las características del inflatón que parecía extinto.
La comprobación de que el Higgs es el responsable de la inflación cósmica es difícil. Se trata de arqueología cuántica del universo y se trata de un fenómeno difícil de entender en el marco actual de ideas. La hipótesis se podrá establecer cuando tengamos una teoría capaz de describir el mundo microscópico y el mundo macroscópico en un solo esquema. En la actualidad, lo microscópico y lo macroscópico son explicados por dos teorías separadas: la mecánica cuántica y la teoría general de gravitación, respectivamente.
Cuando contemos con una teoría cuántica de la gravitación quizá podremos ver con más claridad el papel que pudo haber jugado el Higgs en el universo temprano.
Por ahora, el hecho de contar con un campo escalar como el Higgs en el inventario de lo posible sí es un fuerte apoyo a la idea de un inflatón como responsable de la inflación cósmica. Además de estas dos caras que nos presenta el Higgs, existen muchos aspectos alrededor de su descubrimiento que son profundos y dignos de meditación. Uno de ellos pasa desapercibido porque ha llegado a ser común en la física y se refiere al carácter matemático de la naturaleza. El que un sutil mecanismo matemático de rompimiento de simetría en las ecuaciones que gobiernan al mundo microscópico tenga una realidad física no deja de ser admirable.
Otro es el hecho contradictorio, y quizás al mismo tiempo complementario, de lo que es la esencia en el modelo estándar que describe la estructura del universo, a saber, la simetría y el rompimiento de esa simetría. En la formulación que tenemos se busca la conservación de la simetría en las ecuaciones. El mecanismo de Higgs cumple con esa conservación y, no obstante, es cuando se rompe la simetría —la misma que se buscó conservar— que las partículas adquieren una resistencia al movimiento. Este hecho paradójico de simetría y su rompimiento es fascinante. La oposición de conceptos no es nada nuevo en la filosofía pero sí es muy llamativo el nivel que ha alcanzado en la física moderna con el descubrimiento del Higgs.
1 Phys. Rev. Lett. 111, 061802 (2013).
2 Phys. Rev. Lett. 111, 151601 (2013).
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GERARDO HERRERA CORRAL es investigador del Cinvestav. Ha colaborado en Ginebra con el grupo científico encargado del acelerador de partículas en el proyecto ALICE del CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares).
