Reseña: “El bosón de Higgs” de David Blanco

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«Se han urdido toda clase de analogías para explicar al común de los mortales qué demonios es el campo de Higgs. Todas ellas encierran un innegable elemento de verdad y, al mismo tiempo, son absolutamente falsas. La culpa no la tienen las analogías, sino los hilos conceptuales que arman el modelo estándar: los campos cuánticos. Cuando los físicos hablan de partículas, como un electrón o un bosón de Higgs, en realidad se refieren a fenómenos que acontecen en el seno de los campos. Estas criaturas físico-matemáticas son hijas de la relatividad especial y de la mecánica cuántica y su naturaleza híbrida desafía cualquier poder de visualización».

Me ha gustado mucho este libro sobre la partícula de Higgs, quizás, el mejor que he leído en español sobre este tema. David Blanco Laserna, «El bosón de Higgs. Los secretos de la partícula divina,» Un paseo por el Cosmos (2015) [pp. 166], nos habla de campos cuánticos y nos explica la naturaleza del Higgs como partícula asociada a un campo. Se nota mucho que además de físico y divulgador también es escritor y guionista. El libro tiene un buen ritmo y se disfruta con placer. Sin lugar a dudas merece la pena su lectura. ¡No te arrepentirás!

También te recomiendo leer «Reseña: “Einstein”, “Schrödinger” y “Huygens” de David Blanco Laserna,» LCMF, 05 Sep 2015, donde reseño sus tres libros en la colección Grandes Ideas de la Ciencia de RBA: David Blanco Laserna, “Einstein. La teoría de la relatividad. El espacio es una cuestión de tiempo,” RBA (2012) [175 pp.], “Schrödinger. Las paradojas cuánticas. El universo está en la onda,” RBA (2012) [167 pp.], y “Huygens. La teoría ondulatoria de la luz. Un rayo atrapado en una onda,” RBA (2013) [165 pp.].

Dibujo20151030 photo author boson de higgs david blanco rbaEn cuatro capítulos el autor recorre la teoría cuántica de campos, la naturaleza del campo de Higgs, su papel en el modelo estándar y cómo fue descubierto. El capítulo 1, «Campos cuánticos» [pp. 13-53], se inicia con Aristóteles, pasa a Newton y el campo de la gravedad, y continua con Faraday y el campo electromagnético. «Al espolvorear un puñado de limaduras de hierro alrededor de los imanes surgen dibujos [que] Faraday interpretó [como] una radiografía que revelaba una especie de engranajes ocultos: los campos» [pág. 20]. De los «campos clásicos» [pp. 20-29] pasamos a «un curso acelerado de mecánica cuántica» [pp. 29-39], que nos lleva hasta los «campos cuánticos relativistas» [pp. 39-53].

«Los físicos obtenían vislumbres de una teoría radicalmente distinta. [Y] urgía crear otro marco conceptual, de raíz, con mimbres nuevos que sustituyeran a las ondas y a las partículas, y que dialogasen entre sí dando lugar a los fenómenos observados» [pág. 41]. «No se permite ninguna experiencia directa del campo, ya que se compone de un entramado de funciones estadísticas. La única manera de que se manifieste es interactuar con él a través de un instrumento de medida, integrado, a su vez, por campos cuánticos. [La] impresión que recibimos de la actividad energética del campo, en su conjunto, está cuantizada y es la de una asamblea de partículas cuyo número fluctúa, según se crean o se destruyen» [pág. 42]. «Aún así, no todas las vicisitudes del campo se pueden reducir a partículas (a no ser que demos de sí el concepto hasta lo que se denomina una ‘partícula virtual’)» [pág. 45].

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«Recurramos a una analogía para clarificar las ideas. A una distancia de un par de metros, un retrato impresionista nos produce una ilusión de continuidad. [Pero] en cada punto del lienzo podemos encontrar cualquier color, mientras en promedio dominen los tonos rosas en las manos, o los azules en el vestido, a un par de metros de distancia seguiremos apreciando la misma pintura. [La analogía] es más exacta [si el] acercarnos al lienzo afecta a las pinceladas. Cuanto más de cerca examinamos el lienzo más furiosamente fluctúan los pigmentos. [Así], promediando las fluctuaciones energéticas del campo, surgen las partículas» [pág. 47].

El capítulo 2, «El campo de Higgs entra en escena» [pp. 55-94], nos recuerda que «las fuerzas nucleares exhibían un comportamiento en apariencia muy alejado del electromagnetismo. El ajuste requirió un toque de prestidigitación matemática que tendría profundas implicaciones físicas: la introducción del campo de Higgs. [En] los albores del siglo XX los principios de conservación gozaban de la más alta estima, mientras que las simetrías se mantenían en un discreto segundo plano» [pág. 61]. «La algebrista alemana Emmy Noether [en] esencia, destapó la conexión entre simetrías y principios de conservación» [pág. 62].

«La fórmula secreta de la electrodinámica cuántica» [pp. 63-73] nos cuenta cómo se «ligan dos campos cuánticos, el campo de electrones y el campo de fotones, [y] cómo fluctúa la energía de uno a otro». La simetría gauge U(1) se visualiza usando «una especie de veleta abstracta en cada punto del espacio-tiempo. Cuando una veleta gira un ángulo cualquiera, modifica el valor del campo en ese punto. [Pero] los campos no son observables, son construcciones matemáticas. [Además,] entre los requisitos que deben cumplir [está] que sus cuantos tengan masa nula y que, por tanto, se deplacen a la velocidad de luz.»

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«Los misterios del núcleo» [pp. 73-88] nos habla de «una tercera interacción fundamental, distinta de la gravedad o del electromagnetismo, que troca cuantos de un campo de materia en cuantos de otros campos materiales. Transforma un neutrón en un protón y crea un electrón donde antes no lo había. [Acompañado] del neutrino, el fantasma de las partículas elementales. Apenas interactúa con las demás y disfruta de la propiedad espectral por excelencia: atravesar la materia». Se nos presenta una «nueva simetría [que] producía tres campos mediadores sin masa. Schwinger identificó uno de ellos con el fotón, pero los otros dos suponían un problema. [Para salvarlo,] Glashow refinó el planteamiento de Schwinger y compuso una teoría que integraba, no una, sino dos simetrías gauge: la de las veletas y la noria que voltea los campos. [Esta última] violaba la paridad y producía tres campos mediadores para la fuerza débil: los W+ y W, con carga eléctrica, más un tercer campo neutro, Z, muy parecido al fotón, pero con masa.»

«Comparece el Higgs» [pp. 88-94] nos recuerda que «el campo de electrones se desdobla en dos: hay un campo cuántico de electrones zurdos y otro de electrones diestros. [Cuando] un electrón zurdo se encuentra con un cuanto del campo de Higgs, se transforma en un electrón diestro. Cuando un electrón diestro emite un cuanto de Higgs, se convierte en un electrón zurdo. [Aunque] ambas partículas sigan viajando a la velocidad de la luz, gran parte de su movimiento se pierde en un zigzagueo. Su avance efectivo se produce a una velocidad inferior. [Este] estado híbrido, [esta] nueva partícula, que llamaremos electrón, [mediante] la interacción con el Higgs, [adquiere] masa.»

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El capítulo 3, «El enigma de la masa» [pp. 95-128], comienza tratando de explicar la diferencia entre «campos fermiónicos y campos bosónicos» [pp. 99-108]. Sin miedo se presenta la simetría de intercambio aplicada a la función de onda que describe el estado de dos partículas. «Masa para los campos bosónicos» [pp. 108-119] describe cómo adquieren masa los «campos vectoriales, como los mediadores de la interacción débil (W+, W y Z)» gracias a que un campo de Higgs actúa como vibración longitudinal. Se nos presenta «un argumento no demasiado riguroso, pero, a cambio, muy intuitivo: Una vibración en la misma dirección en la que se propaga la perturbación la adelantaría y retrasaría de manera periódica. [Este] modo de vibración longitudinal [hace que] el [bosón vectorial] adquiera masa de inmediato. [Por supuesto,] estos párrafos [del libro] traducen con infinitas libertades el hermético lenguaje matemático de la teoría.»

«¿El bosón de Anderson–Englert–Brout–Higgs–Guralnik–Hagen–Kibble?» [pp. 119-128] nos resume la historia del mecanismo de Higgs desde las ideas de Nambu, pasando por Goldstone, hasta los artículos del año 1964. «En 1967, Weinberg se dio cuenta de que el mecanismo de Higgs podía dar masa no solo a los mediadores de la interacción débil, sino también a los electrones. [En 1972,] Benjamin Lee [repasó] las últimas novedades ocurridas en el campo de la interacción débil. A lo largo de su intervención, asignó el nombre de Higgs a todo lo que se movía: las partículas escalares, el mecanismo y el campo».

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Finaliza este estupendo libro con el capítulo 4, «Nacido el 4 de julio» [pp. 129-159]. En un colisionador «los investigadores sitúan su apuesta energética en un campo determinado, al que les resulta fácil acceder. [Los] campos cuánticos comparten el espacio-tiempo. Si señalamos un punto cualquiera, en un momento dado, allí los hallamos todos: desde los campos de neutrinos, pasando por los distintos bosones mediadores, hasta el Higgs o el quark t. [Si] queremos estudiar las propiedades de los cuantos más masivos, inestables y efímeros del modelo estándar, como el bosón de Higgs, no queda más remedio que forzar su aparición. El experimentador debe sacudir energéticamente un campo accesible, con vistas a que el seísmo repercuta en los campos furtivos y se materialice en ellos un cuanto observable».

«El safari subatómico» [pp. 139-152] nos describe el «colisionador de positrones y electrones LEP del CERN. [Cuya] estrategia [fue] intentar que saltara un Higgs a través de un rodeo virtual por los campos W y Z. [Logró subir] el listón para la masa mínima del Higgs hasta los 115 GeV. [Y] en el interín, el Tevatrón del Fermilab, en Estados Unidos, tomó el relevo. [Acotó] el rango de posibles masas también por arriba, dejando una estrecha ventana, entre 115 y 160 GeV. [Finalmente,] el LHC se quedó solo en la carrera del Higgs. [La] producción más rentable de bosones de Higgs en el LHC se alimenta de choques entre gluones. [Las] excitaciones virtuales del campo de quarks t pueden repercutir en el campo de Higgs».

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«El asalto final» [pp. 153-159] se inicia «en septiembre de 2008, [con] Peter Higgs [posando] sonriente frente a uno de los detectores. [En] diciembre de 2011, [había] una sólida evidencia de que se había excitado un nuevo campo cuántico, con cuantos de 125 GeV, pero todavía no se podía descartar que se debieran a un espejismo estadístico. [El] 4 de julio, Fabiola Gianotti y Joseph Incandela, portavoces [de los detectores ATLAS y CMS], anunciaron la existencia de un campo cuántico nuevo. Si no era el Higgs, se comportaba como si lo fuera. Rolf-Dieter Heuer [dijo]: ¡Creo que lo tenemos!» Expresado «con el lenguaje cauto de los científicos, la información es compatible con un Higgs del modelo estándar, pero la imagen no ha alcanzado la resolución suficiente para emitir juicios categóricos».

Un gran libro de un gran divulgador. Recomiendo a todo el mundo interesado en la partícula de Higgs y la física de las partículas en general que lea este estupendo libro de David Blanco. Una de las joyas de la colección Un paseo por el Cosmos de RBA.



1 Comentario

  1. Deja mucho que desear. No está bien escrito para el público general. El autor debería hacer un esfuerzo en comunicar más que en relatar lo que sabe. Sirve para reflexionar a aquellos científicos de otros campos, pero lejos de lo que se espera para el gran público.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 31 octubre, 2015
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