bosón de Higgs

Un agujero negro es como una peonza que nunca se detiene por sí sola. Pero si a su alrededor aparece una nube de partículas ultraligeras —bosones—, la situación cambia. Esa "niebla" actúa como un freno invisible: las partículas extraen la rotación del agujero, haciendo que se desacelere.

Todo objeto pulsante tiene un momento en que el ritmo se rompe. Para las estrellas de bosones —grumos hipotéticos de partículas ultraligeras— ese momento resulta ser el punto donde la masa deja de crecer. Los autores del trabajo calcularon el modo radial más bajo (el tono fundamental de la «respiración») para toda una familia de estas estrellas, incluyendo modelos con autointeracción.

En las colisiones de protones en el Gran Colisionador de Hadrones, a veces no se produce un solo Higgs, sino dos a la vez. La frecuencia de estos eventos es una huella directa de cómo el campo de Higgs interactúa consigo mismo.

En los primeros instantes tras el Big Bang, el universo se expandió a una velocidad vertiginosa, una fase que llamamos inflación. Incluso el vacío estaba agitado: los empujones cuánticos mecían los campos como el viento agita las espigas en un campo.

En los primeros instantes, el universo se expandió a una velocidad enorme. Este proceso se llama inflación, y la fuerza motriz es el campo del inflatón. Su energía empujaba el espacio, como la levadura hace subir la masa. Pero los físicos sospechan que en la masa podrían haber quedado “burbujas”: partículas superpesadas nacidas de la propia expansión.

El océano bajo la Luna se eleva en una protuberancia de marea. Pero hay objetos donde todo es diferente: la marea no estira la materia, sino que la hunde en una depresión. Son las estrellas bosónicas: cúmulos invisibles de partículas bosónicas capaces de acumularse en un mismo estado cuántico.

En el centro de casi todas las galaxias se esconde un agujero negro supermasivo. Su gravedad es tan intensa que modifica el propio espacio. Pero pocos se preguntan: ¿qué hace con el tejido mismo de la realidad, con los campos que impregnan el cosmos? Uno de esos campos es el campo de Higgs.

Una cuerda bien tensada sigue vibrando después de un pellizco. En la física de partículas elementales existe un objeto similar: el oscilón. Es un cúmulo de energía que pulsa, como un corazón, sin dispersarse en el espacio. Estas estructuras surgen en el campo de Higgs —ese mismo campo que es responsable de la masa de las partículas.

El bosón de Higgs es como un diapasón que suena en una nota perfectamente definida. Pero los físicos han aprendido a escucharlo incluso cuando la nota se desafina, en la región que llaman «fuera de resonancia». Precisamente allí, en los datos del detector CMS, se escondían las respuestas a las preguntas sobre de qué está hecho realmente el mecanismo de Higgs.

Cuando una partícula lleva una gran energía interna, como una peonza masiva, su movimiento se puede dividir en una parte rápida y una lenta. La parte rápida es un temblor que apenas afecta a lo principal. Los físicos han desarrollado un método que permite descartar ese temblor y quedarse solo con el movimiento lento y significativo.

Las estrellas bosónicas son átomos gravitacionales. Solo que en lugar de carga eléctrica, el núcleo es la propia gravedad, que mantiene una nube de campo escalar en grumos cuantizados.

Imagina: una fina película de helio-3 superfluido recibe un brusco choque térmico. En ese instante, despierta en él toda una orquesta de oscilaciones colectivas, como si un golpe en un tambor invisible generara un acorde polifónico. El mecanismo de Kibble–Zurek, conocido por el agrietamiento del hielo al enfriarse rápido, adquiere aquí una elegancia cuántica.

A finales de los años 1990, el cielo estrellado nos dio una sorpresa: Saul Perlmutter y Adam Riess descubrieron que la expansión del Universo se acelera.

En una luz muy tenue, los fotones llegan uno a uno, como gotas de un grifo que gotea — nunca en pares. Este efecto, predicho por Roy Glauber y confirmado por Leonard Mandel, demuestra directamente que la luz está compuesta de partículas.

Las ondas gravitacionales — el temblor del cosmos provocado por cataclismos lejanos — son tan débiles que captarlas es como escuchar un susurro en medio de un huracán. Pero un agujero negro puede amplificarlo muchas veces.

En lo profundo del detector del Gran Colisionador de Hadrones chocan protones y, por un instante, nace algo pesado. Se desintegra al instante en dos bosones de Higgs, partículas que, como muñecas rusas, esconden en su interior dos pares de quarks b.

El agua hierve en una cacerola y las burbujas de vapor no aparecen en cualquier lugar — se adhieren preferentemente a rayones o partículas de polvo en el fondo.

Diminutas balas invisibles atraviesan el Sol de lado a lado, casi sin notar su materia. Son los axiones: partículas hipotéticas tan ligeras y escurridizas que se comparan con fantasmas.

Una orquesta sin director. Cada músico no solo escucha a su vecino, sino también los ecos de todo el escenario. Así es más o menos la idea del campo de Higgs no local: una partícula 'siente' lo que ocurre no en un punto, sino en toda una región del espacio. En la imagen habitual, la masa surge cuando las partículas atraviesan el omnipresente campo de Higgs, como una cuchara en la miel.

Dos haces deslumbrantemente brillantes chocan de frente. En el punto de encuentro, por un instante, nace una partícula: la misma que es responsable de la masa de todo lo que existe. Es el bosón de Higgs. Normalmente se obtiene acelerando protones o electrones, pero aquí los proyectiles son las propias partículas de luz: los fotones.

En los años 1920, Edwin Hubble notó que las galaxias se alejan — así se descubrió la expansión del Universo.

La materia oscura es la gran invisible del cosmos. No emite, no absorbe, no refleja luz, pero su agarre gravitacional se siente en cada movimiento de las galaxias. Hace setenta años, Vera Rubin demostró que los bordes de las galaxias giran demasiado rápido, como si un pastor invisible las impulsara.

El cosmos está lleno de mimetismo. La mariposa de cristal lleva la máscara de una avispa, la inofensiva mosca zumba como una abeja. Y en el mundo de la gravedad, el papel de impostor quizás lo juegan las estrellas bosónicas — gigantescos grumos de campo escalar, indistinguibles de los agujeros negros.

Lanza una piedra a un estanque: las ondas se expanden cambiando la escala de la onda. Más o menos así funciona la nueva teoría: dota a cada partícula de su propio 'círculo de escala', y es precisamente esa curvatura del espacio invisible la que resulta ser la fuente de la masa.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan miles de millones de veces por segundo, y solo una vez por billón de colisiones se produce un par de bosones de Higgs (las partículas responsables de la masa de todo lo que existe). En el experimento CMS, los físicos rastrearon precisamente esos eventos.

El bosón de Higgs es como un director de orquesta que otorga masa a todas las demás partículas. Sin él, los electrones no tendrían masa y los átomos se desintegrarían. Pero, ¿cómo interactúa el director consigo mismo? Esta es la pregunta clave que deberá responder el futuro colisionador de muones.

En el Gran Colisionador de Hadrones chocan protones y del destello nacen decenas de partículas. Entre ellas pueden estar las huellas de procesos raros, como la desintegración del bosón de Higgs en dos bosones W. Pero estas partículas se dispersan tan rápido que sus huellas se funden en un único chorro ancho.

En una orquesta donde cada músico toca la misma nota, el sonido se funde en un potente unísono. Así surge el condensado de Bose — Einstein: una multitud de partículas bosónicas que, a temperaturas extremadamente bajas, se comportan como un todo.

Dos partículas que se separan en direcciones opuestas se comportan como un todo: la medición de una determina instantáneamente el estado de la otra. Este entrelazamiento cuántico se conocía desde hace tiempo en partículas ligeras, pero ahora se ha observado por primera vez en los pesados bosones Z, los portadores de la interacción débil.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan a casi la velocidad de la luz. A veces no se rompen, sino que intercambian fotones, las partículas de la luz. Estos fotones pueden crear un par: una partícula que el detector ve y otra que se escapa sin ser detectada.

En el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones, los protones chocan con una energía enorme y, entre los escombros, a veces nace un bosón de Higgs: la partícula que da masa a otras partículas.

El bosón de Higgs vive increíblemente poco: menos de una milmillonésima de segundo. No se puede capturar directamente, por lo que los físicos observan lo que queda tras su desintegración: chorros de partículas, muones, neutrinos. Pero parte de la información se pierde si solo se consideran las huellas explícitas de la desintegración y no todo el evento en su conjunto.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los físicos aceleran protones hasta casi la velocidad de la luz y los hacen chocar. Normalmente, en estas colisiones participan los propios protones, pero a veces pasan muy cerca sin tocarse, y lo que interactúan son sus campos eléctricos.

Diminutos agujeros negros del tamaño de un átomo pero más pesados que un asteroide nacieron justo después del Big Bang. Ahora, probablemente, son la materia oscura, esa masa invisible que impide que las galaxias se desintegren. No se pueden atrapar directamente: apenas emiten nada.

El vacío es engañoso. William Unruh demostró que un observador acelerado siente el vacío caliente.

Recién nacido tras el Big Bang, el universo burbujeaba como un refresco recién servido. Todo el espacio estaba lleno de burbujas: regiones de nuevo vacío, el mismo que obedece al Modelo Estándar, desplazaban el anterior estado inestable.

Los científicos han descrito un nuevo tipo de estrella invisible que se comporta como una lente que respira. Tal estrella está compuesta de partículas bosónicas ultraligeras (aún no descubiertas). Su atracción provoca una curvatura del espacio-tiempo, que es justamente la lente, la cual se expande y contrae rítmicamente, como si respirara.