Bosón de Higgs: qué es y por qué es tan importante

• La figura del recién fallecido Peter Higgs está asociada a la predicción de la partícula que lleva su nombre
• Su descubrimiento en el Gran Colisionador de Hadrones, en 2012, inauguró una nueva era en la ciencia moderna

Vista del acelerador linear Linac4 en la sede del Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) en Suiza. EFE / VALENTIN FLAURAUD

La figura de Peter Higgs, el físico británico que ha fallecido este martes en Edimburgo, está asociada de manera inseparable a su mayor logro científico: la predicción de la esquiva partícula subatómica que lleva su mismo nombre: el bosón de Higgs.

Aunque fue teorizada mucho antes, en 1964, por el propio Higgs y por los físicos belgas François Englert y Robert Brout (que llegaron a la misma conclusión de manera independiente), no fue hasta 2012 cuando el CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear) anunció su descubrimiento en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), inaugurando una nueva era en la ciencia moderna. Para muchos, la confirmación de su existencia ha tenido para la física fundamental una relevancia inmensa, comparable por ejemplo a la del descubrimiento del ADN en biología.

"Peter Higgs hizo un trabajo de una extraordinaria importancia, que lo sitúa entre los físicos más importantes del siglo XX", explica a RTVE.es Alberto Casas, profesor de investigación en el Instituto de Física Teórica, quien sin embargo matiza que "de alguna manera se puede decir que es un científico de una sola obra, porque aunque tiene más trabajos, sobre todo es conocido por uno crucial que hizo en 1964. Nada de lo que hizo antes o después se aproxima a la importancia de ese trabajo". 

Por su parte, Francisco R. Villatoro, físico y profesor de la Universidad de Málaga, considera que Higgs "es uno de los físicos más famosos, pero por una cuestión de casualidad". "En un momento determinado, en 1964, varios investigadores propusieron un mecanismo para darle masa a las partículas, y él era solo uno de ellos. A principios de la década de 1970, cuando se vio que esta teoría podía ser correcta para describir la realidad, resulta que quien fomentó todo ese proceso se acordó de Higgs pero no se acordó del resto, y entonces lo llamaron partícula de Higgs y campo de Higgs", comenta a RTVE.es.

"La gran importancia de Peter Higgs es haberle dado nombre al bosón, y eso es una pura casualidad histórica. Realmente, esta teoría y todo lo que tiene detrás fue trabajada por mucha otra gente. Tanto Englert como Brout dedicaron toda su vida a estudiar el campo de Higgs, y quien realmente colocó la teoría en el centro de la física fue Kibble", agrega, para apuntar que "como poco, debería haberse llamado partícula de Brout, Englert y Higgs".

La clave de bóveda del modelo estándar

Pero, más allá de cuestiones de autoría intelectual, ¿qué es exactamente esta partícula, que desde su anuncio teórico tardó casi medio siglo en poder ser probada? Básicamente, y a grandes rasgos, el bosón de Higgs es el elemento clave que completa el modelo estándar de la física, ya que es el responsable de conferir masa a las partículas.

"El bosón de Higgs es la pieza que permite que funcione el modelo estándar, que es hasta ahora la descripción más perfecta que tenemos de las partículas elementales, o lo que es lo mismo, de lo que están hechas todas las cosas", indica Alberto Casas. "En ese sentido, es una partícula esencial para nuestra comprensión de la naturaleza. Es como si fuese la clave de bóveda de una catedral, que hace que todo el edificio del modelo estándar se sostenga y sea consistente matemáticamente", compara.

Las partículas fundamentales se dividen en dos categorías principales: bosones y fermiones. Esta clasificación obedece a su comportamiento: mientras un fermión no puede ocupar el mismo estado energético que otro fermión de características similares, y, por lo tanto, se dice de ellos que son capaces de formar materia, los bosones no tienen esta limitación y, por otro lado, son también los responsables de las interacciones fundamentales entre fermiones (por ejemplo, la interacción electromagnética).

El modelo estándar de la física describe esta interacción entre las partículas, pero se trataba de un puzzle incompleto porque faltaba por identificar el mecanismo que Higgs, Englert y Brout habían enunciado de manera teórica en la década de 1960. Se trata de un campo invisible —llamado también de Higgs— que ocupa el universo entero y hace que las partículas elementales adquieran masa al entrar en contacto con él. El bosón de Higgs es resultado de la vibración de ese campo invisible que llena el vacío.

"La importancia del bosón de Higgs, y del campo de Higgs, es que le dan sentido al uso de las teorías cuánticas de campos para explicar toda la física de partículas", asegura Francisco R. Villatoro. "En las teorías de la física de partículas, lo natural es que estas predigan que las partículas no tienen masa, y de hecho a muy alta energía, las partículas no tienen masa. La masa es un fenómeno que aparece a baja energía, cuando la simetría se rompe y ocurre una especie de transición de fase, como cuando el agua se enfría y se convierte en hielo. Una transición de fase es lo que le ocurre al universo cuando tiene una billonésima de segundo —la millonésima parte de la millonésima parte de un segundo—, y en ese momento se produce una transición que hace que el campo de Higgs se acople a las partículas y las dote de masa, apareciendo el bosón de Higgs", añade.

El mayor experimento científico de la historia

Sin embargo, la de Higgs, Brout, Englert era tan solo una predicción del mecanismo que permitía comprender por qué las partículas tienen masa, e hizo falta casi medio siglo y el mayor experimento científico de la historia para descubrir esa esquiva partícula. Sucedió en 2012, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra, donde se demostró en la práctica que la explicación que habían dado estos físicos era correcta.

"El bosón de Higgs es una partícula que tiene una masa muy grande, equivalente a unas 130 veces la de un protón. Para producir estas partículas, hace falta concentrar en un punto del espacio una enorme cantidad de energía, que es lo que se consigue en el Gran Colisionador de Hadrones, donde se hacen choques protón-protón a unas energías brutales, ya que los protones se mueven a velocidades muy cercanas a la de la luz", revela el físico teórico Alberto Casas. "Al concentrarlo en un punto, toda esa energía cinética que llevan los protones se transforma en partículas, y concretamente se producen bosones de Higgs. No solamente eso, sino que con los detectores se pueden medir sus propiedades y comprobar que coinciden con las predichas por la teoría".

Construido por el Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), el Gran Colisionador de Hadrones es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe, además de la máquina más grande construida nunca por el ser humano, aunque podría ser superado por el Futuro Colisionador Circular (FCC), también del CERN, que si finalmente se aprueba entraría en servicio en la década de 2040 y sería tres veces mayor.

En la construcción del Gran Colisionador de Hadrones han intervenido, de manera directa e indirecta, más de 10.000 científicos de un centenar de países, además de cientos de universidades y laboratorios. Quizá este descomunal esfuerzo sea el mejor ejemplo de la importancia que tiene para la ciencia el bosón de Higgs. "El Gran Colisionador de Hadrones es de los pocos ámbitos en el que hay de verdad una colaboración mundial para algo que es simplemente, o nada menos, que conocer un poco mejor cómo funciona la naturaleza", expresa Alberto Casas.