27 kilómetros para entender la masa

—Ven, nos ponemos a 5 pasos.

—Mejor a 100, Sal.

—No llegaremos, es mejor estar cerca al principio.

—Pues nos ponemos a 27 pasos —Ven quería que el juego fuera lo más entretenido posible.

Sal y Ven estaban disfrutando de sus vacaciones de verano en su jardín intentando organizar su juego con la bola loca. Gauss estaba panza arriba disfrutando de una merecida siesta cobijado por una sombra amable.

—¡Hola chicos! —Mati entró al jardín con un bonito sombrero mexicano en la cabeza.

—!Mati, qué guapa! —Ven salió corriendo para abrazar a Mati.

—¿Te vas o vienes de Mexico? —preguntó Sal.

Mati con una amplia sonrisa se inclinó hacia los chavales y susurrando les dijo:

—No, es que me he encontrado con un amigo y lo he invitado a venir, quería preguntarle una cosa. Y él me ha dado este sombrero. ¿Sabéis que hace poco los científicos creen que han descubierto una nueva partícula que llevaban mucho tiempo buscando?

Sal puso su cara de pensar y dijo

—Sí, la partícula de Higgs… o algo así.

Ven lanzando una carcajada sentenció

—¿Y para qué queremos una nueva partícula Mati?

—¡Qué buena pregunta Ven! —Fis y Scru acababan de entrar al jardín.

—¡Fiiiiiiisss! —los niños se lanzaron a correr hacia su amigo y terminaron todos por el suelo.

—¡Vaya, tenéis mucha masa! —dijo Fis, y todos rieron. Mati los miraba sentada en la sombra junto a Gauss y Scru.

—¿Qué es eso del Higgs? —preguntó Sal muy seriamente.

—¿Tenéis un rato? No quisiera interrumpir vuestro juego…

—No pasa nada Fis, podemos jugar luego, lo primero es lo primero —cuando Ven se pone profundo es mejor no discutir con él.

—¡Ahí estamos! —Sal le dio la razón a su hermano pequeño y a este se le iluminó la cara.

Fis se quedó pensando un poco y empezó a explicar:

—Las cosas que nos rodean están formadas de átomos, ¿verdad?

Los niños asintieron, Ven dijo que los átomos tenían dos partes, el núcleo y los electrones a su alrededor. Sal puntualizó que los núcleos a su vez están formados por protones y neutrones y que, además, estos últimos están compuestos de unas partículas más pequeñas llamadas quarks.

Fis sonriendo dijo:

—Efectivamente, la materia que nos rodea está formada por unas partículas que los físicos llaman fundamentales. Entre ellas están los electrones y los quarks. Los electrones tienen otras partículas hermanas que comparten sus propiedades y que son más pesadas, el muón y el tau. Además tenemos los primos del electrón, el muón y el tau, los neutrinos. Los quarks forman partículas como los protones y los neutrones y otras más exóticas.

—Esto a grandes rasgos —siguió Fis —es lo que se conoce como el contenido de partículas del Modelo Estándar.

Los niños miraban a Fis embobados, Srcu miraba a Gauss, Gauss bostezó.

—Los físicos se encontraron con el problema de describir cómo se comportan las partículas fundamentales y tuvieron que diseñar una teoría para ello. A esta teoría es a la que se conoce como el Modelo Estándar de la física de partículas —Fis estaba encantado explicándole esto a los chavales.

—Pero no has dicho nada de la partículas Higgs esa… —Ven estaba un poco decepcionado.

—Un momento, Ven, primero hay que entender un par de cosas del Modelo Estándar —Fis intentaba calmar la impaciencia de Ven mientras miraba a Sal totalmente ensimismado en las ideas que surcaban su cabeza en aquel momento —El Modelo Estándar nos dice que las interacciones entre las partículas elementales se llevan a cabo por el intercambio de otras partículas. El nombre genérico de estás últimas es bosones mensajeros. Nosotros los llamaremos mensajeros para acortar.

—¿Quieres decir que para que interactúen tienen que cambiarse partículas entre ellas, Fis? —preguntó Sal —¿Como si fueran cromos de fútbol? Ven y yo interactuamos en el recreo con nuestros amigos con los cromos de fútbol

—Más o menos… —contestó Fis.

—Pero… eso… ¿cómo va ser, Fis? —protestó el pequeño —¿Cromos que intercambian cromos?

—¿Qué dices, Ven? —preguntó el gafotas arrugando la cara.

—Partículas que intercambian partículas —dijo Ven silabeando —¿Cromos que intercambian cromos?

—Increíble, ¿A qué sí Ven? —intervino Fis —Pero piénsalo así en este caso, los cromos serían los bosones, los mensajeros, y las partículas elementales serían los niños que interactúan cambiando cromos. Más o menos, ¿eh?. Esto es lo que explica la teoría cuántica de campos.

— Vaya nombrecito… —Ven se dio por satisfecho.

Fis siguió explicando:

—Eso es en el patio del cole, pero en la naturaleza tenemos cuatro interacciones, que son la forma en la que tienen las partículas de relacionarse entre ellas. Tenemos el electromagnetismo que se da entre cargas eléctricas, la interacción débil que tiene la propiedad de cambiar el tipo de partícula, por ejemplo cambia un quark d en un quark u, y la interacción fuerte que nos explica como se mantienen unidos los quarks entre si.

—Pero esas son sólo tres y tú has dicho que había cuatro… —Sal estaba buscando la cuarta interacción física.

—Cierto, la que queda es la gravedad, la que nos mantiene unidos al suelo y la que hace que los planetas orbiten alrededor del Sol. Pero resulta que el Modelo Estándar sólo nos habla de las interacciones entre partículas que no son la gravedad. Algún día alguien tendrá que explicar ese detalle.

—Huy, eso parece grave…¡Nosotros lo haremos! —Ven ya planeaba cómo afrontar el problema.

—¿Y qué más? —Sal estaba empezando a interesarse de verdad en esto del Modelo Estándar.

—Bueno, el caso es que según el Modelo Estándar estas interacciones se llevan a cabo cuando dos partículas que interactúan intercambian los mensajeros apropiados. En el caso del electromagnetismo dos cargas eléctricas intercambian fotones. En la interacción débil pueden intercambiar mensajeros llamados W o Z. Y en la interacción fuerte los quarks intercambian mensajeros a los que hemos llamado gluones.

—Pues yo no lo pillo… —Ven estaba intentando ver la lógica de todo esto.

Fis se levantó y cogió la bola loca que estaba en el suelo, le dio a los niños un mango cada uno y entró en la casa. Cuando salió llevaba unos post-it y un rotulador. Cogió tres post-it y pintó dos signos — y un signo +. Y luego sobre la bola amarilla dibujo la letra griega gamma.

—A ver, la bola va a representar un fotón que los físicos representan por esta letra. Y vosotros seréis cargas, por ejemplo dos electrones ¿Qué pasa entre dos cargas del mismo signo?

Sal dijo:

—¡Qué se repelen!

—Bien, veámoslo… —Fis les puso a cada uno un post-it en la frente con el signo —.

Los niños se situaron uno frente al otro y Fis les dijo:

—Ahora tenéis que lanzaros la bola alta y con un poco de fuerza.

Los niños empezaron a hacerlo, y poco a poco tenían que ir dando pasos hacia atrás para poder capturar la bola que le enviaba su hermano respectivamente.

— ¡Halaaaaaaa!, Sal nos estamos repeliendo… somos como dos electrones — Ven estaba feliz.

—Fis, pero ¿cómo se pueden atraer las cargas de distinto signo intercambiando mensajeros… fotones? —preguntó Sal preocupado.

—Bueno, veamos…

Fis le cambió el post-it a Sal y ahora era una partícula +, y les dijo a los niños que ahora se tenían que tirar la bola flojito y bajita. Empezaron a jugar y poco a poco tenían que ir dando pasos hacia el otro para poder recoger la bola sin que cayera al suelo.

—¡Aaaaah! La atracción o la repulsión dependerá de la energía y la velocidad del fotón —Sal estaba satisfecho.

—Bueno, es un poco más complicado, el fotón es una partícula de luz y siempre va a la misma velocidad, la velocidad de la luz, pero tiene una cosa que puede variar que es su energía y su momento. Hablaremos de esto en otra ocasión, pero la idea básica es esa. Y con el resto de interacciones funciona básicamente igual, el próximo día jugaremos a la interacción débil pero necesitaremos caretas para poder tener distintas caras…

—Fis, todavía no hemos hablado del Higgs… —Ven tenía el firme propósito de que Fis no se olvidara de hablar de la nueva partícula.

—Es verdad… — Fis se tumbó en el suelo al Sol y los niños hicieron lo mismo, todos con las manos detrás de la cabeza — Pero es que hay un problema con el Modelo Estándar.

—¿Cuál? ¿Cuál? —Sal estaba deseando saber qué problema había que solucionar.

—Los físicos se dieron cuenta que según el Modelo todas las partículas se moverían a la velocidad de la luz siempre.

—Eso molaría…. —murmuró Ven

—Si eso fuera así implicaría que las partículas no se podrían frenar hasta tenerlas en reposo frente a nosotros, que no podríamos medir su masa y que por tanto la masa en reposo de estas partículas sería 0.

—¿Y no pesaríamos nada de nada? —preguntó el pequeño con los ojos abiertos como platos.

—Pero las partículas tienen masa Fis… —dijo Sal y Ven asentía a la afirmación de su hermano.

—Cierto, por eso algunos físicos, entre ellos el profesor Peter Higgs junto con otros, propusieron que en el Modelo faltaba un ingrediente…

—La masa… —masculló el pequeño.

—Bueno, Ven, en realidad, este ingrediente es el campo de Higgs. Podemos pensar en el campo de Higgs como una multitud de partículas, las partículas de Higgs, que cuando interaccionan con otras partículas el efecto final que tiene es que les da masa.

—¿Un montón de partículas en el campo? ¿Que les dan masa a las otras partículas?¿Y cómo hace eso el Higgs? —preguntó Ven.

Fis se volvió hacia Mati

—¿Me presta usted el sombrero señora matemática? —dijo Fis con una graciosa reverencia.

—Por supuesto, caballero físico —Mati se quitó el sombrero y se lo dio a Fis. Este buscó en su bolsillo y sacó una canica roja. Se sentó en el suelo y puso el sombrero frente a él. Mati y los niños se sentaron alrededor. Como era de esperar Gauss y Scru no tardaron en acercarse a olisquear el sombrero.

Fis comenzó a explicar:

—Imaginemos que el punto que está justo debajo del pico del sombrero mexicano nos dice que el valor del campo de Higgs es 0. Es decir, que no tenemos partículas de Higgs por ningún sitio.

—Ni rastro de Higgs en la cumbre, capitán —bromeó Sal como si hablase por un walkie.

—A estos bosones no les gustan las cumbres, sargento —continuó la broma su hermano.

Mati y Fis se miraron entre ellos, ambos disfrutaban y se asombraban de la curiosidad de los dos hermanos.

—Pues bien —continuó Fis —Conforme nos alejamos del centro en cualquier dirección el valor del Higgs aumenta, aparecen partículas de Higgs, y lo hace igual en todas las direcciones. Digamos que es una situación simétrica.

Los niños estaban ensimismados.

—El sombrero representa la energía que tiene el Higgs para cada uno de sus valores. Curiosamente cuando el campo de Higgs es 0 el valor de su energía es alto. Esto es muy curioso. Uno espera que cuando no tiene algo ese algo no tenga energía, el Higgs no se comporta así.

—”Partícula de Higgs con masa no nula” —leyó Sal en la parte del ala del sombrero.

Fis continuó:

—Supongamos que esta canica representa todo el campo de Higgs. Si la pongo en el pico del sombrero significa que el campo vale 0, no hay partículas, pero su energía es más alta que si la pusiéramos en cualquier otro punto del sombrero.

—Pero si la dejas ahí seguramente caerá… —Sal estaba mirando fijamente al sombrero.

—Prueba… —le dijo Fis extendiendo la mano y ofreciéndole la canica roja.

Sal, con todo el cuidado del mundo, puso la canica en el pico y la soltó con delicadeza. De repente la canica se deslizó hasta llegar al ala del sombrero.

—Se ha roto la simetría… — dijo Fis con fingido dramatismo.

—¡Toma, toma, toma! ¡Cómo mola! —Ven estaba feliz y corría alrededor de todos los demás que estaban sentados en corro alrededor del sombrero —Cuando la canica del Higgs está en el pico del sombrero puede caer hacia cualquiera de los lados, todo lo ve simétrico, pero si se cae, se rompe la simetría…

—Sí, y cuando cae, la simetría desaparece, ha elegido una posición en el ala del sombrero que es lo mismo que decir que el campo ha dejado de ser cero y pasa a tener un valor, aparecen las partículas de Higgs.

Ven, en un apretón de felicidad, se tiró al cuello de Mati sonriendo. Mati estaba encantada, Gauss celosillo.

—Eso es, los físicos demostraron que al pasar esto, al romperse la simetría, aparecería una partícula. Esta es la partícula de Higgs y que tendría una masa distinta de cero. Resulta que esta partícula es capaz de interactuar con el resto de partículas, pero lo hace de forma que cuando ve un fotón lo ignora y por eso el fotón se mueve a la velocidad de la luz —dijo Fis.

—Pobres fotones… —dijo Ven con penita.

—A cambio, corren tela… —Mati le guiñó el ojo a Ven.

—Por eso dicen que el fotón no tiene masa en reposo… —dijo Sal pensativo.

—Justo por eso —asintió Fis —Pero cuando la partícula del Higgs se encuentra con un mensajero W, o un Z, o un quark, o un electrón, interacciona con ellos teniendo el efecto de que estas partículas adquieren una masa no nula.

—Entonces, si el Higgs no interactuara con mis partículas yo no tendría masa y me podría mover a la velocidad de la luz… —dijo Ven sintiéndose un fotón.

—Pues sí, no habría quien te parara… — Fis estaba sonriendo.

—Eso ya pasa a veces, Fis —dijo Sal con una sonrisa.

—Desgraciadamente —continuó el físico —la teoría no dice exactamente qué masa tendría la partícula aunque nos dice entre que valores podría estar. Por eso se construyó el LHC que es un tubo de 27 km…

—¡Hala, 27 kilómetros! ¡Qué brutos! —se asombró Ven.

—Pues sí —continuó Fis —27 Km de recorrido donde se hacen chocar protones que van muy muy rápido. En estas colisiones se producen partículas que a su vez se desintegran en otras partículas. Los físicos esperaban que en algunas de estas colisiones se encontrara el Higgs.

—¿Y cómo saben si la partícula producida es el Higgs u otra cosa? —Sal, nunca daba puntada sin hilo.

—Pues verás, cuando se produce el Higgs este se desintegra en otras partículas. Los físicos aprendieron que una partícula de Higgs se podía desintegrar en dos fotones, en dos mensajeros Z y de otras formas. Además aprendieron a calcular con qué probabilidad se desintegraría de cada una de estas formas. Lo que hacen es producir muchas colisiones en el LHC y ver cuantas veces se producen dos fotones, o dos Z, etc. Luego comprueban si esto está de acuerdo en lo que sabemos que tiene que producir un Higgs.

Los niños estaban embobados escuchando la explicación.

—Así en un futuro podremos decir que el 4 de Julio del 2012 los físicos anunciaron que se había encontrado algo en el LHC que se desintegra tal y como lo haría un Higgs. Y estamos seguros de eso en un 95%, que no es poco. Aunque claro, esto es ciencia, y todavía queda mucho por estudiar. Y seguramente nos preguntarán: ¿Dónde estabas y qué hacías cuando anunciaron que habían encontrado el Higgs?

—Comiendo en un restaurante mexicano… —soltó Ven y todos empezaron a reír.

—Muy apropiado… —dijo Mati disfrutando de la escena.

—Pues a mí me ha entrado hambre… quiero choriqueso… — Sal había decidido aparcar la ciencia por un momento.

—Es otra forma de ganar masa… —dijo Ven muy serio.

Todos se levantaron riendo y se fueron a un restaurante mexicano que lo tenían bien merecido.

—¡Gauss! ¡Scru! ——llamó Fis a las mascotas ——¿Dónde estáis?

FIN

Pues sí amigos, estos días, todos los que amamos la Ciencia estamos contentos y orgullosos por haber asistido a uno de los descubrimientos científicos más importantes de los últimos tiempos, el de la partícula de Higgs. Como diría nuestro Ven, ¡toma, toma, toma! ¡cómo mola!

Los niños, Gauss y yo nos pusimos muy nerviosos el día 4 de Julio al conocer la noticia, le pedí a nuestro amigo Fis, que nos contara este sábado qué significaba exactamente este hallazgo del CERN y, como siempre, nuestro querido Fis accedió gustoso.

Esto es sólo una aproximación sencilla a lo que significa la existencia de la partícula de Higgs, pero si queréis saber más sobre partículas elementales, modelo estándar y, ¿cómo no?, sobre Higgs, en Cuentos Cuánticos, el blog de nuestro Fis, tenéis esta entrada que os servirá como guía en estos caminos.

Es maravilloso saber que aún quedan tantas preguntas ahí fuera por responder, quién sabe si seréis algunos de vosotros los que nos deis otra noticia como esta en un futuro cercano…Pero hasta entonces, tenemos que estar atentos a lo que ya se sabe e ir aprendiendo cada día más.

Por Gauss, ¿¿no tenéis curiosidad por descubrirlo todo??

Hasta pronto

MATI