lunes, 17 de diciembre de 2012

Cuando yo descubrí el Bosón de Higgs.

Una versión resumida de este articulo fue publicada en la pagina de CONICET. 
Ver : http://www.conicet.gov.ar/cuando-yo-descubri-el-boson-de-higgs/

           Hace unos meses se anunció que en el acelerador de partículas más grande construido por el hombre, situado en la frontera entre Francia y Suiza, se había descubierto  una nueva partícula conocida como el Bosón de Higgs, Este hallazgo me trajo recuerdos de juventud.

En los años 80 comencé a dedicarme, al menos parcialmente a la investigación científica. El ambiente de trabajo era bastante más artesanal que el actual, porque  no había demasiados recursos; era muy difícil conseguir una beca, asistir a un congreso era un logro monumental y el material de estudio lo conseguíamos por fotocopias de fotocopias de fotocopias. Por otro lado, la dictadura militar había hecho estragos en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas e Ingeniería de Rosario, y no había ambiente de discusión de ideas, ni muchos docentes en condiciones de dictar cursos de física avanzada. En este contexto, comencé a interesarme por alguna de las ideas más abstractas de la física de ese momento. Los cursos de doctorado eran dictados en muchos casos por nosotros mismos, los propios estudiantes que tomábamos un libro y tratábamos de entenderlo y contárselo a los otros. Había algunos más osados que otros y de uno de ellos aprendí los rudimentos de la teoría cuántica de campos y qué significaba lo del Bosón de Higgs.
En aquel momento pensaba que había entendido muy poco de aquel curso, que era casi incapaz de reproducir alguno de los cálculos que veía en el pizarrón. Sin embargo, el tiempo me mostró que el misterio que me generaron aquellas ideas fue la semilla que me permitió avanzar en mi trabajo de investigación posterior. Me enamoré de la física teórica, de sus argumentos de simetría, de la búsqueda de simplicidades. Volví sobre estas ideas y sigo volviendo en una búsqueda estética que guía una parte de mis inquietudes científicas, de mis fantasías cuando emprendo una investigación, de las ilusiones que me acompañan cuando paso mucho tiempo estudiando trabajos o tratando de entender un problema. Pero ¿qué es eso de las simetrías que tanto me impresionó en aquellos tiempos y que subyace a la invención del Higgs  que hoy ha adquirido tanta fama?
Los argumentos de simetría son a la física de partículas lo que la lucha de clases a la teoría marxista de la historia social, o la idea del inconsciente a la teoría freudiana del psicoanálisis. Es una idea base que guía la construcción de teorías y ha permitido avanzar desde las más simples a las más complejas, haciendo entender qué partículas elementales esperamos encontrar y qué características deben tener las partículas que se intercambian entre ellas para que se atraigan o se rechacen.
Por ejemplo, la simetría que tiene un cuadrado corresponde a una rotación de noventa grados porque una vez que lo giramos en ese ángulo no podemos distinguirlo del mismo antes de girarlo. La simetría que jugó un rol fundamental en la historia reciente de la física de partículas es la conocida como de ‘gauge’ o de medida. En la teoría más simple, significa que podemos girar en cada punto del espacio un ángulo arbitrario y diferente en un punto de otro. Luego de esta operación no hay forma de darse cuenta si hicimos o no esa rotación. Es como si tuviéramos un piso lleno de baldosas circulares (que por supuesto dejaría muchos lugares intermedios vacíos); cada baldosa podría girarse un ángulo arbitrario, lo que no podría notarse. En física de partícula esta simetría define completamente de qué teoría estamos hablando. Por ejemplo, si en vez de rotaciones en el plano, consideramos rotaciones en el espacio, como si hubiera una esfera en cada punto del espacio, damos lugar a otra teoría con otras partículas y otras interacciones.
 ¿No es entonces una idea fascinante pensar que eliminando todos los detalles, el mundo de las partículas sub-atómicas puede construirse siguiendo solamente un principio de simetría?
Además estas rotaciones se hacen en un espacio interno de cada punto del espacio. Esas rotaciones son  transformaciones en lo que los matemáticos llaman la fibra que se monta en cada punto. No es raro entonces que mi propia fibra se conmueva al jugar con estas ideas, que me transformen a mí mismo, que me 'vuelen la cabeza' como dicen los chicos hoy.
Aunque cada simetría local da lugar a un tipo de partículas con sus interacciones, hay una propiedad general que deben tener todas las partículas. Estas partículas no pueden tener masa. Si la tuvieran la simetría de ‘gauge’ se viola. Si le ponemos masa a las partículas, el edificio completo de la física de partículas con sus simetrías tan anheladas se cae a pedazos.
¿Y entonces en qué punto quedamos? Quedamos en que la simetría de ‘gauge’ ha sido extraordinariamente efectiva en cuanto a permitir construir teorías para entender las interacciones electromagnética, nuclear débil y fuerte. Sin embargo predice que ninguna partícula puede tener masa y debe viajar a la velocidad de la luz. Pero sabemos que hay partículas con masa como las  mediadoras de la interacción débil, o nuestro más conocido electrón. ¿Quién arroja un poco de luz en todo esto?  
Como  la lucha de clases o a la idea del inconsciente, la simetría de ‘gauge’ no puede mantenerse dogmáticamente ante cualquier situación. ¿Y qué hacemos? ¿La desechamos a pesar de su belleza, su simplicidad y el poder predictivo que ha tenido?
En los años 60 varios investigadores encontraron una posible salida a este dilema. La salida se llamó ruptura espontánea de la simetría de ‘gauge’. Es como cuando estamos convencidos de un argumento y tratamos de defenderlo a capa y espada, pero los hechos nos vienen mostrando que no puede ser siempre válido, entonces en un rapto de intuición nos damos cuenta que,  agregando alguna idea adicional que no preveíamos, podemos salvar la belleza, la generalidad y el poder predictivo de nuestra propuesta original. Y la idea adicional fue la introducción de un campo que llena todo el universo, lo que hoy llamamos el campo de Higgs. El acoplamiento de las partículas con este campo le genera la masa a las mismas, pero como nada es gratis en esta vida, aparece un efecto adicional que es debido a las olas que producen las partículas que se mueven en el campo de Higgs. Esto hace prever  la existencia de una partícula asociada a este campo con una masa muy grande, la hoy famosa partícula de dios o Bosón de Higgs. Para detectarla se requirieron   millones euros.
La física es una ciencia experimental que valida sus teorías contrastándola con los datos observacionales. El descubrimiento reciente del Bosón de Higgs fue el broche de oro que permitió validar toda la construcción teórica de la física de partículas del siglo XX.  
Nosotros la descubrimos varios años antes orientados por nuestra manía de aprender y por nuestra pasión por entender. En mi caso fascinado por la belleza de las ideas potentes y profundas. La misma fascinación que me sigue orientando hoy, claro que siempre alerta para que la seducción por las simetrías no me deje encerrado en mi propia idea y no me permita descubrir mi propio Bosón de Higgs.

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