Alvaro De Rújula: “El verdadero descubrimiento sería no encontrar el bosón de Higgs”

Publicado por el Apr 3, 2011

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Alvaro De Rújula es Investigador del Instituto de Física Teórica del CSIC-UAM y ex director del Departamento de Física Teórica del CERN

Es un físico elegante donde los haya. Irónico, incisivo, de mirada y lengua penetrantes. Su trabajo no es, ni ha sido, el de manejar las enormes máquinas con las que la Ciencia escruta el origen de la materia y del Universo, sino el de predecir lo que esas mismas máquinas van descubriendo poco a poco sobre la naturaleza íntima de las cosas. Como buen físico teórico, su mejor arma es el cerebro, y durante años ha estado al frente del pequeño grupo de colegas (físicos teóricos como él) en el CERN, el gran laboratorio europeo de Física de Partículas, el lugar en el que se espera que se produzca, de forma inminente, uno de los mayores descubrimientos científicos de la era moderna: la razón, y el origen, de que la materia tenga masa.

– ¿De qué estamos hechos exactamente ?

Todos estamos hechos de tres tipos de partículas: electrones, y otras dos que son el quark up y el quark down. Quizás no se note, pero es evidente que es así. Si estamos aquí sentados tranquilamente, eso quiere decir que no estamos flotando por el aire. Y para eso hay dos motivos: el primero es que estamos inmersos en algo que no se ve, pero que existe, que es el campo gravitatorio de la Tierra, que es el que tira de nuestra masa y nos sienta en la silla; y el otro es que tenemos masa. ¿Y por qué tenemos nosotros, y las partículas elementales que nos componen, esa propiedad que se llama masa? Pues resulta que no la tenemos porque sí, sino por una razón que podríamos llamar “ambiental”. Las partículas elementales tienen masa porque están sumidas en otro campo, que tampoco se ve y al que llamamos el campo de Higgs, y que permea el vacío por completo.

– El vacío como tal, pues, no existe…

Si vaciamos esta habitación hasta que nos parezca que no queda nada, seguirá habiendo dos cosas: el campo gravitatorio y el campo de Higgs. Si nos alejamos de la Tierra, el primero se irá haciendo más débil y desaparecerá. Pero vayamos donde vayamos en el Universo, no importa lo lejos que sea ni lo vacío que parezca, el segundo, el campo de Higgs, seguirá estando ahí. El vacío no es la nada. Y de eso estamos hechos todos, de partículas que sufren la influencia de ese vacío, en el sentido de que es él quien les da la masa. Esa es, precisamente, la hipótesis que queremos comprobar.

– Por qué las partículas de las que estamos constituidos no parecen seguir las mismas leyes físicas que observamos a nuestro alrededor?

– Las estructuras de la naturaleza son variadísimas. Sin embargo, las leyes fundamentales de la naturaleza y los constituyentes elementales de la materia de la que estamos hechos son ambos sorprendentemente simples. Lo que es complicado es combinar estos ladrillos de las innumerables formas posibles. Pero cualquier estructura, por diferente que nos parezca, está construida con esas pocas y sencillas leyes.

– Hay muchas partículas que sólo se manifiestan en determinados rangos de energía, y otras que, sin embargo, son más estables, como las que forman la materia sólida. Los físicos las van “descubriendo” en sus laboratorios a medida que son capaces de generar colisiones más y más energéticas. ¿Existe un límite al número de partículas que pueden, o pudieron, existir? ¿O siempre será posible seguir encontrando nuevas? ¿Cuántos son, en total, los constituyentes del Universo en que vivimos?

– Hay dos tipos de constituyentes. Unos que se manifiestan sobre todo como materia, por ejemplo los electrones y los quarks. Estos tienen la propiedad particular de que si los vamos metiendo en una caja, llega un momento en que la caja se llena y ya no caben más. Y luego hay otras partículas que se manifiestan más bien como fuerza. Por ejemplo la fuerza electromagnética se transmite por medio de partículas de luz que llamamos fotones. Al contrario de las otras, cuantas más de estas partículas metamos en una caja, más fácil será ir metiendo las siguientes. Pues bien, del primer tipo de partículas, las que no caben todas en el mismo sitio, hay tres estables, que son el quark up, el quark down y el electrón (estos dos últimos forman los protones y los neutrones). El electrón, además, tiene un primo, que es el neutrino, que tiene un papel muy importante en el funcionamiento del Sol. Así que hay cuatro partículas importantes para que luzca el Sol, para hacer una paella, para enamorarse… todo eso lo  puedes hacer con sólo cuatro partículas.

-Pero además de eso hay más…

– Si, las cosas son como son, y no como nos gustaría que fueran. En la naturaleza existen otras dos copias de esa familia de partículas que acabamos de describir. La única familia que es estable es la que está formada por el electrón, el quark up, el quark down y el neutrino. Las copias son casi iguales, solo que pesan más y son inestables, es decir, se desintegran en las anteriores. Y hay una tercera copia. Creemos que sabemos la razón por la cual tienen que existir estas tres familias. Y es que a pesar de que dos de estas tres familias de partículas son inestables, necesitamos las dos familias extra para que el mundo sea tal y como lo vemos.

– ¿Por qué se necesita tanta variedad de partículas cuando sólo estamos hechos de unas pocas?

-El motivo es el siguiente: si sólo hubiera una, o dos, familias de partículas, la materia y la antimateria se comportarían de un modo absolutamente idéntico. Pero el hecho de que haya tres familias permite que exista una pequeña diferencia entre materia y antimateria. La antimateria es igual que la materia, pero con carga eléctrica opuesta. Si nos fijamos bien en el Universo, veremos que hay muchísima radiación, muchísima luz, y sólo un poquito de materia. Si las contamos, encontraremos que hay unas diez mil millones más de partículas de luz que de materia. Y no hay antimateria. No hay antiestrellas, ni antigalaxias, ni antiplanetas…

– ¿Y cómo sabemos que una galaxia distante no está hecha de antimateria?

– Lo sabemos porque al principio de su existencia, el Universo no tenía galaxias y era una sopa continua de partículas. Y ya sabemos que en esa época no había antimateria para construir esas antigalaxias de las que estamos hablando. Para eso habría tenido que existir desde el principio una gran cantidad de antihidrógeno. Cuando la materia se encuentra con la antimateria, ambas se aniquilan mutuamente. Si hubiera habido antihidrógeno en el origen, y por alguna razón no se hubiera tocado con el hidrógeno “normal”, veríamos los “agujeros” que separan ambas sustancias. Y si se hubieran tocado, entonces veríamos que se aniquilan. Por lo tanto sabemos que el Universo actual no tiene antimateria. En el principio, en el Universo hubo tanto materia como antimateria, pero ambas se aniquilaron mutuamente dando origen a muchas partículas de luz. Sobró sólo un poco de materia ordinaria (una partícula por cada diez mil millones de partículas de luz) y con esa poca materia se construyó todo lo que hoy podemos ver.

– Es decir, que estamos hechos de la escasa cantidad de materia ordinaria que sobró tras esa aniquilación mutua inicial…

En efecto. Y resulta que esas tres familias de partículas que hemos descubierto, con sus pequeñas diferencias, fueron las que marcaron la evolución del Universo hasta convertirlo en lo que vemos hoy. Este tipo de ideas fueron premiadas con el Nobel el año pasado. La debilidad de mi argumento, sin embargo, es que sabemos que esta propiedad que distingue materia y antimateria no es la misma que produjo la diferencia original entre materia y antimateria al principio de la existencia del Universo. De forma que tiene que haber algún otro tipo de materia, más inestable e inaccesible de la que conocemos, que es la que produjo la asimetría que observamos en la actualidad.

– ¿Se refiere a la materia oscura?

– Hay algunas teorías que dicen que se trata de la materia oscura, pero ninguna es tan convincente como para que pueda responder que sí.

– De la masa total del Universo, sólo un 4% corresponde a la materia ordinaria, cerca de un 20% a la materia oscura y el 76% restante a algo misterioso y casi desconocido que los físicos han llamado “energía oscura”. ¿Significa eso que sabemos mucho menos de lo que pensamos, y que la inmensa mayor parte de lo que es el Universo está aún por conocer?

– Si, así es… Resulta que el problema más profundo de la Física de partículas, y también de la Cosmología, que estudia el Universo en su conjunto, tiene que ver con el vacío. Y a pesar de todas nuestras hipótesis, no podremos estar seguros de nuestras ideas hasta que encontremos el bosón de Higgs, la partícula responsable de la masa de todas las demás partículas. Pero el rol principal en esta cuestión lo juega el vacío.

– ¿Puede explicar por qué?

– El Universo no solo está en expansión, sino que está en expansión acelerada (es decir, cada vez se expande más rápidamente). Y eso se debe, pensamos, a la energía oscura. Pero la energía oscura es, precisamente, la densidad de energía del vacío, de manera que es el vacío quien juega el papel más importante, y también el peor entendido, en esta cuestión… Los cálculos realizados para predecir la energía del vacío dan resultados que son 54 órdenes de magnitud mayores que los observados, y esa es la mejor aproximación que tenemos…

– Una aproximación que deja mucho que desear…

– No, al contrario, es muy bueno tener una teoría que funciona tan disparatadamente mal, porque quiere decir que algo grande se nos está escapando, y eso implica a su vez que los actuales experimentos, tanto en Cosmología como en Física de partículas, tienen un potencial enorme, porque claramente hay algo gravísimo y muy profundo que aún no hemos entendido…

– ¿Podría la teoría de cuerdas dar por fin una respuesta a esta cuestión?

– Yo soy escéptico. En Ciencia avanzamos a base de ir descartando las teorías falsas y aproximándonos a las verdaderas, que nunca lo son del todo, pero que constituyen buenas aproximaciones a la realidad. Y para que una teoría sea interesante de verdad, tiene que incluir la manera de poder demostrar lo contrario, es decir, tiene que tener alguna predicción que sea falseable. La teoría de cuerdas no hace ninguna predicción falseable, y por lo tanto tiene un estatus en la Ciencia que es diferente al del resto de las teorías. Tiene un estatus más “místico”, por decirlo de alguna forma. Y en ese sentido, es una teoría floja como tal. Hace un tiempo se pensaba que podría ser la teoría del todo, pero últimamente se ha descubierto que aplicando lo que sabemos de la teoría de cuerdas al vacío, sale como resultado que hay, como mínimo, diez elevado a quinientos vacíos distintos… Y eso es una estimación muy a la baja. Es decir, que como mínimo habría diez elevado a quinientas leyes de la Naturaleza diferentes, y eso empieza a ser una teoría muy poco predictiva. Así que la teoría de cuerdas no está en el mejor de sus momentos.

– ¿Existe la posibilidad de que algunas partículas estén viajando en el tiempo?

– Teóricamente esa posibilidad existe, pero en la práctica es totalmente imposible de realizar, porque no hay suficiente energía en todo el Universo para construir el aparato adecuado. Sería posible curvar el Universo (como se hace con una hoja de papel) de forma que dos puntos distantes acaben por tocarse y las partículas pasen de un lado a otro a través de un agujero de gusano (una especie de agujero negro en forma de tubo), pero eso, en la práctica, no se puede construir.

– Vayamos al bosón de Higgs…

– Bien. Hemos llegado a la conclusión de que el vacío es una sustancia, un campo fundamental que permea todo el Universo. Y si se sacude un campo fundamental, como es el vacío, entonces las vibraciones de ese campo, que son las partículas o cuantos, aparecen. El bosón de Higgs es la partícula del vacío, igual que el fotón es la partícula, o cuanto, de los campos electromagnéticos. Aunque la partícula desaparezca, aún queda su campo, que lo impregna todo.

– Para encontrar el Higgs, los físicos exploran en sus colisionadores de partículas lo que sucede a distintos niveles de energía. Se van explorando “parcelas” diferentes, y descartando las que están vacías… Parece que no quedan ya muchas por comprobar… ¿Cuándo se encontrará por fin el bosón de Higgs?

– La parcela en la que estamos actualmente es suficiente. Cuando el LHC funcione al doble de su energía actual durante algunos años, y eso es sólo una cuestión de tiempo, entonces podremos demostrar que existe la partícula, o que no existe en absoluto. Si no aparece en esta “parcela” es inútil seguirla buscando en otras, porque en otros rangos de energía diferentes el bosón de Higgs deja de tener su rol y ya no tendría sentido.

– Es decir, que si existe, tiene por fuerza que estar en el lugar en el que ahora se le está buscando…

– Así es.

– ¿Me puede decir en una sola frase qué pasaría si lo encontramos y qué si no lo encontramos?

– Lo peor que puede pasar es que lo encontremos y no encontremos nada más, ninguna otra cosa sorprendente.

– ¿Como qué?

– Como la supersimetría, la materia oscura, las dimensiones extra… Si encontramos el Higgs y nada más, entonces habremos aprendido algo que ya está en los libros, y ese no es el escenario más interesante. Los físicos casi preferimos equivocarnos a no equivocarnos. Pero si no lo encontramos, entonces sí que será un descubrimiento importantísimo, comparable a cuando Michelson y Morley intentaron detectar el movimiento de la Tierra en el eter y se encontraron con que no había eter…

– ¿Está diciendo que el verdadero descubrimiento sería no encontrar el bosón de Higgs?

– El verdadero descubrimiento sería no encontrar el Higgs, y tampoco nada que lo sustituya. Entonces sí que habríamos hecho un gran hallazgo, y tendríamos que ir a los políticos y decirles: “Eureka, no hemos descubierto nada, esto es un éxito fabuloso”. Si lo descubrimos, estaremos constatando algo que ya sospechábamos. Si no, estaríamos ante algo completamente nuevo y fascinante.

– En los medios se está vendiendo la idea de que encontrar el Higgs es algo fundamental, casi una obsesión sin la que el resto de la Física no tendría sentido…

– Es exactamente al contrario, el gran descubrimiento sería no encontrarlo. Hay que seguir buscándolo con el objeto de no encontrarlo.

– En cualquiera de los dos casos, ¿cómo repercutirá este descubrimiento en la vida de las personas?

– Bueno, en primer lugar, se tomarán más en serio sus dietas alimenticias, ja, ja, ja… en lugar de en calorías, se medirán en bosones, ja, ja, ja… No, hablando en serio, el descubrimiento no tiene por qué tener ninguna consecuencia práctica inmediata. Desde que investigadores del CERN descubrieron una forma eficaz de que los ordenadores se comuniquen entre sí hasta la explosión de la web sólo pasó un año… pero nadie estaba buscando eso en concreto. Es decir, que las posibles consecuencias prácticas de encontrar, o no, el bosón de Higgs son totalmente inesperadas. Sabemos que siempre hay consecuencias tecnológicas aseguradas, pero no sabemos cuáles…

– ¿Habrá dinero suficiente para seguir investigando a buen ritmo? ¿Cómo está afectando la crisis al CERN?

– El CERN lleva ya afectado desde hace unos veinte años. Ya desde entonces se redujo el personal desde 3.800 personas a 2.300, de forma que cada vez hacemos las cosas con menos gente y, por lo tanto, no solo peor, sino que también muchísimo más despacio. Lo que no ha sucedido todavía es que alguno de los veinte países miembros haya dejado de pagar su cuota debido a la crisis. No lo ha hecho ni Portugal, entre otras cosas porque la cantidad de presupuesto dedicado al CERN es mínima. España contribuye con algo más de cuarenta millones de euros al año. Y como hay cuarenta y tantos millones de españoles, al final resulta que cada uno pagamos cerca de un euro al año por el CERN, lo que es una cantidad mínima. Pagamos muchísimo más por otras cosas que tienen muchos menos resultados.

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