El bosón de Higgs es responsable de una fracción muy pequeña de la masa del universo

Simulacion Higgs en el CMS

Con frecuencia, se dice que el Higgs es el responsable de “dar masa” a las partículas. Esto, dicho así, no es del todo cierto. Y conviene dedicar un poco a explicar porqué.

En primer lugar, nosotros cuando hablamos de “masa” estamos habituados a entenderla como la propiedad que tiene la materia para ser atraída por un campo gravitatorio. La relacionamos con la fuerza “peso” debida a este hecho. Esto es lo que los físicos llamamos, grosso modo, “masa gravitatoria“. Luego está la “masa inercial“, que podemos entender como la oposición que ponen los cuerpos a cambiar su estado de movimiento al aplicarles una fuerza.

Una forma de decir con palabras la segunda ley de Newton, F = ma. En nuestro mundo cotidiano, coinciden y por eso no le solemos poner apellidos cuando hablamos de masa y clásicamente lo tratamos indistintamente.

Sin embargo, hablando de partículas no hay que olvidar que en el Modelo Estándar la gravedad no se considera parte del mismo (principalmente porque debido a su extrema debilidad no sabemos prácticamente nada de la gravedad a esa escala) y que por tanto siempre que hablamos de masa, nos estamos refiriendo a la masa inercial y no a la gravitatoria. Así que en principio el Higgs y la gravedad no tienen mucho en común.

Ya hemos visto muchos vídeos, noticias, textos donde se explica cómo el mecanismo de Higgs, que se definió para explicar eso que llamamos ruptura espontánea de la simetría electrodébil nos da, de regalo, un campo que interacciona con las partículas fundamentales y las dota de masa.

Bien, la clave es “partículas fundamentales”. ¿Qué son partículas fundamentales? Pues básicamente, aquellas que no tienen constituyentes, no tienen estructura interna de ningún tipo. Esto por tanto excluye a los protones y a los neutrones, que forman los núcleos de los átomos de los que estamos hechos.

Aquí cabría preguntarse ¿entonces, la masa de los protones, neutrones y otras partículas no fundamentales, de dónde sale?

Para contestar a esta pregunta, tenemos que traer la relatividad a colación. La relatividad es muy importante en esta escala debido a los niveles de energías, tiempos y velocidades en los que tienen lugar las interacciones a escala particular.

Según la relatividad, masa y energía son equivalentes. Esto no solo quiere decir que puedes convertir una partícula de “masa” en energía y lo contrario según E=mc2. Esto hace que cuando consideramos la masa de los tres quarks que componen un protón y las sumamos, el resultado de esa suma no sea la masa del protón. De hecho, si hacéis las cuentas podéis ver cosas sorprendentes.

El protón está hecho de tres quarks. Dos quarks up y un quark down. La masa del quark up se estima que es de entre 1.7 y 3.1 MeV y la del quark down es de 4.1 a 5.7. El error es debido a la enorme dificultad experimental. La masa del protón es de 938 MeV. Si sumamos, incluso en el mejor de los casos, la aportación de las masas de los quarks es de en torno a un 1% de la masa total del protón.

¿Y el otro 99% restante?

El otro 99% se lo debemos a la energía que tienen los tres quarks como consecuencia de la interacción entre ellos. Es decir, a la interacción fuerte. Esta fuerza que es la más intensa pero la de más corto alcance de todas, tiene la particularidad de que cuanto más se alejan entre sí las partículas que interaccionan fuertemente, más intensa es. Al contrario que la gravedad, por ejemplo, que cuanto más te alejas menos intensa es. En la interacción fuerte, hay una zona en la que las partículas están cerca y que apenas se sienten entre sí y que llamamos “libertad asintótica” y otra donde a medida que se van alejando la fuerza crece indefinidamente (confinamiento de color).

La situación se parece a un muelle, cuya fuerza crece cuanto más lo estiras. Por eso en los diagramas de Feynmann los gluones, que son las partículas que transmiten la interacción fuerte, se representan como muelles. Y de forma similar que los muelles se rompen si tiras demasiado fuerte, cuando dos partículas que interaccionan fuertemente se alejan y la energía para separarlas es tan grande que dicha energía crearía pares de partícula-antipartícula evitando de ese modo que pudiéramos invertir dicha energía en seguir separándolas.

Los quarks del protón se encuentran en esta situación. Intentan alejarse pero no pueden. Esto pone en juego una cantidad enorme de energía, que se manifiesta como una contribución considerable, cercana al 99%, a la energía del protón. ¿Qué quiere decir esto? Pues que, retomando el punto inicial, no hay que conseguir una interacción con el campo de Higgs equivalente a esos casi 1000 MeV. De hecho, del campo de Higgs, apenas saca un 1% de la masa.

Similares consecuencias tenemos para el neutrón, que está hecho de un quark up y dos quarks down y por ende, para la masa de los átomos. Así que no vale de nada subirse en la báscula y pensar que el numerito que marca se debe al bosón de Higgs.

23 Comentarios

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DavidDavid

No entiendo muy bien, a tenor de la explicación del artículo, cómo es posible separar en aceleradores de partículas los quarks constituyentes de un protón. Si tenemos el dilema de que la energía necesaria para separarlos terminaría dando un tándem partícula-antipartícula, ¿Cómo se hace para esquivar ese escenario y obtener los quarks?

PedroPedro

Creo que, de hecho, no se han obtenido todavía quarks libres en un acelerador.

Francis

David, los quarks se “observan” de forma indirecta. Haces incidir un electrón de alta energía contra un protón y observas que el electrón colisiona o con un quark o con gluón. Estudiando estas colisiones puedes “ver” los quarks individuales que hay dentro del protón y estudiar sus propiedades. Hay una propiedad de la interacción fuerte llamada libertad asintótica que significa que los quarks se comportan como partículas libres dentro del protón (a distancias cortas) pero a distancias grandes la interacción fuerte los reviste formando un mesón (par quark-antiquark). Por tanto, no podemos separar un quark de un protón como partícula libre, solo como un mesón.

DavidDavid

¿Y esa separación en forma de mesones se ha conseguido en un acelerador, o de momento es sólo una posibilidad teórica?

Muchas gracias por las aclaraciones.

Francis

David, se lleva consiguiendo en colisionadores desde hace más de 60 años (de hecho, desde antes de que se idearan los quarks).

Nicolás Fabelo

Jamás se ha encontrado un quark libre, jamás se ha vencido la fuerza nuclear fuerte que hace que estén en grupos de tres componiendo los protones y neutrones

MalonezMalonez

Me he quedado a cuadros, me acabas de desmontar lo que creía saber. SIempre es un placer aprender.

Según esto, a escala macroscópica, la gravedad se debe fundamentalmente a la fuerza nuclear fuerte? Porque digo yo que si vale lo mismo la masa inercial y gravitatoria alguna relación debe haber no?

Francis

No, Malonez, no pongas palabras en boca de MiGUi que él no ha pronunciado.

La energía gravita y como el protón es energía en un 99% (según MiGUi, hay que tener cuidado con este número) gravita con una masa equivalente a dicha energía.

La relación entre masa gravitatoria e inercial es el principio (clásico) de equivalencia de Einstein. Por principio son equivalentes. Pero un principio no explica un porqué.

Malonez, a las energías a las que la gravedad entre partículas fundamentales no es despreciable, energías cercanas a la escala de Planck, ninguna partícula tiene masa, ninguna. Las partículas para la gravedad son todo energía, solo energía. Por ello, hablar de masa inercial y gravedad desde un punto de vista cuántico no tiene ningún sentido. En el universo dominado por la gravedad cuántica no existe el concepto de masa inercial, ni de masa gravitatoria, solo el concepto de energía. La masa inercial es un concepto clásico (para la gravedad).

MalonezMalonez

Muchas gracias por contestar. Es un placer que contestéis a los profanos como yo.
Está claro que estoy pez porque lo que me explicas me da la impresión que reafirmabas lo que preguntaba y obviamente no es así. Los conceptos son:
- La energía gravita.
- La mayoría de la energía del protón y el neutrón es debida a la interacción fuerte.
Con lo mal que lo entiendo, me sigue pareciendo que la interacción fuerte es lo más importante cara a la gravedad.

Nicolás Fabelo

La gravedad se debe a la curvatura del espacio-tiempo por la presencia de la masa-energía: no tiene nada que ver con la fuerza nuclear fuerte, que es la que mantiene a los quarks unidos (y, por extensión, la que hace que los protones -con carga positiva- se hallen juntos dentro de los núcleos atómicos pese al gigantesco efecto repulsivo de la fuerza electromagnética)

Carlos Reyes

Excelente entrada MIGUI, has puesto muy en claro el concepto y equivalencia entre masa y energìa, desde el punto de vista de la QCD y la RG.

FredoFredo

¡Genial! Me habeis aclarado, entre MiGUi y Francis, una de las grandes dudas que me quedaban con el tema de Higgs :P

Aunque es un poco decepcionante… Yo esperaba que algún día esta línea de investigación nos llevase a desafiar la gravedad xD

MiGUi

Eso se lleva haciendo (o intentando hacer) desde el primer día. Fíjate si es condenadamente difícil que hasta ahora no ha habido éxito.

José Manuel

Ahí estamos (o estáis los físicos, es una forma de hablar). Gracias por vuestro esfuerzo de investigación y divulgación.

Roberto Díaz Sibaja

Hola que tal.

Tu artículo y las discusiones que se llevan a cabo en los comentarios me parecieron de lo más interesantes e informativas. GRACIAS por ayudar a otros a entender mejor al universo. Sigue de ese modo.

SALUDOS

santo tomássanto tomás

El bosón de Higgs da masa a las partículas¿quien se la dá a él ?.Las “5 vias de Santo Tomás” sobre el origen de las cosas presentaba el mismo problema.
en definitiva.. parece que no hemos avanzado

KainKain

Hola, es conocido que la masa de los nucleos de los atomos es MENOR que la masa por separados de neutrones y protones, lo que se atribuye a que parte de la masa de ellos se convierte en energia fuerte dentro del nucleo. Sin embargo tu dices que en el caso de la masa de los protones resulta ser mucho MAYOR que la masa independiente de los quarks. Si hay un defecto del 99% de masa en el proton en relacion a la masa de sus quarks, como puede atribuirsela a fuerzas presentes en el proton? las fuerzas no tienen masa…no pueden medir la masa de la fuerza para “completar” el 99% faltante….no tiene sentido….en cambio el DEFECTO de masa del nucleo de un atomo en relacion a sus protones y sus neutrones si tiene sentido….deberia funcionar el mismo principio con los protones y los quarks y no al reves…

La unica explicacion que encuentro es que a nivel nucleonico, los detectores de masa confundan la masa con la energia y esten midiendo las energias de enlace y cineticas de los quarks dentro del proton conjuntamente con su masa como una sola “cosa”.

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