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

Por MiGUi, el 15 julio, 2012. Categoría(s): Física
Publicidad
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.



Por MiGUi, publicado el 15 julio, 2012
Categoría(s): Física

 

Publicidad