En este artículo adaptado de su nuevo libro, «Ondas en un mar imposible» *, el físico Matt Strassler explica que el origen de la masa en el universo tiene mucho que ver con la música.

Un ensayo de Matt Strassler. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.

El descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones en 2012 confirmó lo que los físicos de partículas sospechábamos desde hacía tiempo: que existe un campo que permea el cosmos y que genera las masas de las partículas elementales. Por desgracia, a los físicos les ha resultado difícil explicar a los demás cómo este llamado campo de Higgs cumple su enorme tarea.

Un enfoque común ha sido contar una historia fantástica. He aquí una versión:

Existe una sustancia, como una sopa, que llena el universo; ese es el campo de Higgs. A medida que las partículas se mueven a través de él, la sopa las frena, y así es como las partículas adquieren masa.

Otras versiones describen el campo de Higgs como algo parecido a una melaza, un matorral, una multitud de personas o una extensión de nieve.

Sin embargo, todas esas historias entran en conflicto con lo que nosotros los físicos enseñamos en las primeras semanas de los cursos universitarios de primer año. Al sugerir que el campo de Higgs crea masa al ejercer resistencia, se violan tanto la primera como la segunda ley del movimiento de Newton. Entre otros desastres, esta resistencia habría hecho hace mucho tiempo que la Tierra cayese en espiral hacia el Sol. Además, si el campo de Higgs fuera realmente una sustancia, proporcionaría un punto de comparación con el que podríamos medir nuestro movimiento absoluto, violando los principios de relatividad de Galileo y de Einstein.

En realidad, el campo de Higgs no tiene nada que ver con el movimiento ni con la desaceleración, sino que toda su historia gira en torno a la vibración.

La teoría cuántica de campos, el poderoso marco de la física de partículas moderna, dice que el universo está lleno de campos. Algunos ejemplos son el campo electromagnético, el campo gravitacional y el propio campo de Higgs. Para cada campo, hay un tipo de partícula correspondiente, que se entiende mejor como una pequeña ondulación en ese campo. Las ondulaciones del campo electromagnético son ondas de luz, y sus ondulaciones más suaves son las partículas de luz, que llamamos fotones. De manera similar, los electrones son ondulaciones en el campo de electrones, y el bosón de Higgs es una ondulación mínima en el campo de Higgs.

Un electrón estacionario, al igual que la vibración de una cuerda de guitarra, es una onda estacionaria que vibra con una frecuencia preferida, conocida como frecuencia de resonancia. Esta vibración resonante es común y familiar. Como una cuerda de guitarra pulsada suena constantemente a su frecuencia de resonancia, siempre produce el mismo tono. Del mismo modo, la frecuencia fija de un péndulo oscilante es lo que lo convierte en un reloj eficaz. Según el mismo principio, cada electrón estacionario vibra con la frecuencia de resonancia del campo electrónico.

La mayoría de los campos del universo tienen frecuencias resonantes. En cierto sentido, el cosmos se parece vagamente a un instrumento musical; ambos tienen frecuencias características en las que vibran con mayor facilidad.

Para mí, personalmente, el hecho de que la resonancia sea la base de la realidad es motivo de deleite y asombro. Como músico y compositor aficionado de toda la vida, conozco desde hace tiempo el funcionamiento interno de pianos, clarinetes y guitarras. Pero me quedé completamente atónito al descubrir, cuando era estudiante de posgrado, que las estructuras del universo, incluso dentro de mi propio cuerpo, funcionan según principios similares.

Sin embargo, esta musicalidad secreta de nuestro cosmos sería imposible si no fuera por el campo de Higgs.

En la teoría cuántica de campos, una combinación de la física cuántica y la relatividad de Einstein conduce a una relación crucial entre una frecuencia de resonancia y la masa de una partícula elemental: cuanto más rápidamente vibra una partícula estacionaria, mayor es su masa. Los campos que carecen de una frecuencia de resonancia corresponden a partículas que no tienen masa; dichas partículas, incluidos los fotones del campo electromagnético, nunca pueden ser estacionarias.

Aunque los cuentos fantásticos sobre el campo de Higgs sugieren que la masa surge de la desaceleración de las partículas elementales por una sustancia parecida a la melaza, la verdad es que un campo de Higgs más fuerte hace que las partículas elementales vibren a frecuencias más altas, lo que aumenta su masa. Por lo tanto, se podría considerar al campo de Higgs como una especie de agente cósmico de refuerzo, cuya función es aumentar las frecuencias de resonancia de otros campos.

¿Cómo es posible que un campo cambie la frecuencia de otro? El humilde péndulo nos ofrece un ejemplo sencillo.

Imaginemos que colocamos una pelota en el extremo de una cuerda en el espacio profundo, donde el campo gravitatorio es prácticamente nulo. La pelota flotará sin rumbo fijo. Si la empujamos un poco, su posición puede variar lentamente, pero no vibrará.

Sin embargo, si se coloca el péndulo improvisado en un campo gravitatorio distinto de cero, todo cambia. La bola cuelga recta hacia abajo y, si se la mueve, oscila.

Cuando la pelota está en reposo, se dice que está en equilibrio: estable, equilibrada y sin motivo para moverse. Si la pelota se desplaza hacia la derecha, la gravedad hará que se balancee hacia la izquierda y viceversa. La tendencia de la posición de la pelota a volver al punto de equilibrio, conocida como efecto restaurador, es lo que hace que se balancee.

En este caso, el campo gravitatorio actúa como un agente de refuerzo: hace más rígido al péndulo, lo que le confiere una frecuencia de resonancia distinta de cero. Cuanto más fuerte sea el campo gravitatorio, más potente será el efecto de recuperación y más alta será la frecuencia de resonancia del péndulo.

De manera análoga, el campo de Higgs crea un efecto restaurador sobre otros campos elementales que cambia la forma en la que vibran. Aunque cualquier campo puede tener ondas que se desplazan como las que cruzan un estanque, un efecto restaurador permite que un campo tenga ondas estacionarias, esas ondas estacionarias que se parecen a las de una cuerda de guitarra. Como mencioné antes, estas ondas estacionarias no son nada más ni nada menos que partículas elementales inmóviles, ondulando en sus respectivos campos.

Esta idea está en el centro de lo que el difunto físico británico Peter Higgs, homónimo del campo de Higgs, y sus competidores señalaron en la década de 1960: que un campo puede reforzar otros campos, permitiendo así que sus ondulaciones vibren en su lugar con una frecuencia resonante y, por lo tanto, dando masa a sus partículas. Los estudios experimentales del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones confirman que esto es en efecto lo que hace el campo de Higgs. Al utilizar las matemáticas del Modelo Estándar de la física de partículas (la teoría cuántica de campos que describe todas las partículas elementales conocidas y las interacciones entre los campos del universo), los científicos hacen predicciones sobre el comportamiento del bosón de Higgs que coinciden exactamente con los experimentos. No hay duda: el campo de Higgs crea un efecto restaurador en muchos otros campos.

Así que, con esta comprensión más profunda del campo de Higgs, permítanme sugerir una historia diferente:

Érase una vez un universo que llegó a existir. Abrasadoramente caliente, estaba repleto de partículas elementales. Entre sus campos había un campo de Higgs, inicialmente apagado. Pero a medida que el universo se expandía y se enfriaba, el campo de Higgs se activó de repente, desarrollando una fuerza distinta de cero. Cuando esto sucedió, muchos campos se volvieron rígidos y, como resultado, sus partículas adquirieron frecuencias resonantes y masa. Así es como el universo se transformó, a través de la influencia del campo de Higgs, en el instrumento musical cuántico que es hoy.

* Nota del traductor: La traducción del título podría ser diferente cuando se publique en castellano.

El artículo original, How the Higgs Field (Actually) Gives Mass to Elementary Particles, se publicó el 3 de septiembre de 2024 en Quanta Magazine.

Traducido por César Tomé López