La búsqueda del bosón de Higgs. I. ¿Qué es la masa?

Newton, en los Principia, define la masa intuitivamente como “la cantidad de materia… que deriva de su densidad y volumen.” Según el principio de equivalencia (de Newton) la masa es a la vez una medida de la inercia de un objeto (su oposición a moverse) y una fuente de atracción gravitatoria. En el s. XIX la teoría atómica permitió ver la masa de un bloque de materia como la suma de la masa de sus átomos. Pero esto no responde a ¿qué es realmente la masa? Abraham (1903) y Lorentz (1904) propusieron que la masa del electrón se podía interpretar como “autoenergía” electromagnética. Einstein (1905) con su famosa fórmula E=m c², nos permitió interpretar la inercia de los cuerpos (la masa) como una función de la velocidad, m(v), que se puede dividir en dos términos separados, uno de energía en reposo, m(0), que llamamos masa en reposo m0, y otro de energía en movimiento (o cinética), igual a m0 (1–c/√(c²–v²)). Normalmente entendemos por masa el primer término, la energía en reposo de un cuerpo, el segundo también es importante en cuerpos compuestos. Si un cuerpo está formado por partes móviles, su masa dependerá de la suma de las masas en reposo de las partes más la energía cinética de su movimiento. Veamos lo que esto significa.

La masa en reposo de un átomo es la suma de las masas en reposo de sus electrones y de su núcleo más la energía de enlace electromagnética entre los electrones (partes móviles) y el núcleo (supuesto en reposo). La contribución de este segundo término es muy pequeña en un átomo. En el átomo de hidrógeno con un electrón en su estado fundamental 1S la energía de enlace es sólo de 13’6 eV, es decir, el 1’45×10–10 % de la masa total del átomo (las reacciones químicas aprovechan esta energía). La masa en reposo de un núcleo atómico es la suma de las masas en reposo de sus protones y neutrones más la energía de enlace debida a la fuerza nuclear fuerte que los une. En una partícula alfa (un núcleo de helio 4He) esta energía de enlace constituye el 0’75% de su masa. Un número también muy pequeño pero enorme a escala macroscópica (es la energía aprovechada en los reactores nucleares).

La masa en reposo de un nucleón (protón o neutrón) es otra historia. La suma de las masas en reposo de los tres quarks que lo constituyen aporta menos del 2% de su masa en reposo total. El resto es debida a la energía de enlace que los une y los confina dentro del núcleo, es energía de confinamiento del campo cromodinámico de partones (gluones y pares quark-antiquark virtuales). La masa en reposo de los hadrones, tanto bariones (3 quarks) como mesones (2 quarks) es fundamentalmente energía (cinética). El quark abajo (d, down) tiene una masa en reposo mayor que el quark arriba (u, up). Como estas partículas elementales no se pueden observar aisladas no se conoce exactamente cuánto vale esta masa en reposo, aunque se estima que debe ser entre 1’5-4 y 4-8 para los quarks u y d, respectivamente. La pequeña diferencia de masa entre un protón (uud) y un neutrón (udd), unos 1’29 MeV, es el resultado de la resta entre la diferencia de masas entre los quarks d y u y la autoenergía electromagnética del protón por tener carga positiva (el neutrón es neutro).

El cálculo de la masa de un hadrón utilizando la teoría cromodinámica cuántica (QCD) es muy difícil, sino imposible, con lápiz y papel. Hay que utilizar métodos numéricos (QCD en redes) y supercomputadores. Los resultados numéricos explican bastante bien los resultados observados en los experimentos. Por ello podemos afirmar que casi casi toda la masa visible del universo es energía de confinamiento de quarks en nucleones, ya que la materia luminosa es esencialmente la de los protones y neutrones en las estrellas y nubes de polvo interestelar. La cromodinámica cuántica es por tanto la teoría que explica la práctica totalidad de la materia visible del universo. 

La afirmación repetida infinidad de veces de que el bosón de Higgs es el responsable de toda la masa en el Universo es sencillamente falsa. La materia (ordinaria, no la materia oscura) del universo es materia bariónica, cuya masa es energía de confinamiento con una pequeña contribución de masa en reposo, en la que podría influir el bosón de Higgs. El mecanismo de Higgs es responsable de la diferencia entre el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, fuerzas que a alta energía están unificadas en una única fuerza llamada electrodébil. A alta energía, mayor de unos 246 GeV, hay cuatro fotones sin masa (dos cargados y dos neutros). A baja energía, tres de estos fotones adquieren masa. El mecanismo de Higgs explica la ruptura de simetría electrodébil que conduce a dicha diferencia; algo parecido a la diferencia entre el hielo y el agua, son la misma cosa, están compuestas por las mismas moléculas, pero son muy diferentes en sus propiedades.

Se cree que el mecanismo de Higgs y la teoría electrodébil permiten explicar la generación (aparición) de la masa en reposo de los quarks y leptones (electrones y neutrinos). Entender el proceso que impulsa la ruptura de la simetría electrodébil requiere explorar con grandes aceleradores de partículas la escala de energías de Fermi, las energías alrededor de 1 TeV = 1000 GeV (recuerda que la masa de un protón es de 0’938 GeV/c2 = 1.67×10–27 kg), es decir, distancias más pequeñas que 10–18 m. La escala de energías de Fermi puede ocultar otros secretos del universo (física más allá del Modelo Estándar) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que ya está en funcionamiento en el CERN se ha diseñado para llevar a cabo una exploración a fondo de la escala de Fermi

¿Qué pasaría si el bosón de Higgs no fuera encontrado en el LHC del CERN? Todos los experimentos de alta precisión del Modelo Estándar indican que la ruptura de la simetría electrodébil es una realidad. No encontrar el Higgs indicaría que hay otro mecanismo que es responsable de romper la simetría electrodébil, un mecanismo que no deja una señal en forma de partícula elemental. Hay muchas posibilidades. Por ejemplo, una ruptura dinámica de la simetría.

Fuente: Introducción del artículo de Chris Quigg, “Spontaneous Symmetry Breaking as a Basis of Particle Mass,” Reports on Progress in Physics 70: 1019-1054, 2007 [disponible en ArXiv]; también la introducción de Chris Quigg, “Higgs Bosons, Electroweak Symmetry Breaking, and the Physics of the Large Hadron Collider,” Contemporary Physics 48: 1-11, 2007 [disponible en ArXiv].

Nota al pie: “La búsqueda del bosón de Higgs. I,” será la primera de una serie de entradas en este blog que espero que los lectores disfruten.

PS (6 marzo 2010): Lectura recomendada Frank Wilczek, “The Origin of Mass,” MIT Physics Annual, 2003.

6 pensamientos en “La búsqueda del bosón de Higgs. I. ¿Qué es la masa?

  1. Una pequeña corrección: dices “A baja energía, tres de estos fotones adquieren masa y dos de ellos incluso carga eléctrica”, pero lo último no es cierto. Inicialmente dos de los cuatro “fotones” ya tienen carga electrica, así que no la adquieren en el proceso de rotura espontánea de la simetría electrodébil.

  2. Me ha parecido muy interesante lo que nos cuentas, esperaré los siguientes de la serie :D

    De todas formas tengo una pregunta, aunque no es del tema central del artículo, es una duda que tengo hace tiempo sobre la masa relativista. Discutí sobre ella con mi profesor de física en bachillerato pero no me supo responder…

    La pregunta es si realmente existe o si no es más que un constructo matemático para facilitar el entendimiento de la teoría de la relatividad? Te pongo un ejemplo que leí hace tiempo y que me hace dudar de la existencia de la masa relativista como una realidad física. Imagina que voy en una nave a, por ejemplo, 0.9c, de acuerdo con la relatividad mi “masa” ha aumentado y es más difícil acelerar más en esa dirección. Sin embargo si yo enciendo un propulsor lateral, que me acelere en la dirección perpendicular, ese propulsor me acelerará sin ningún problema ya que en esa direccióm mi velocidad es 0 y por tanto mi masa sería la masa invariante. Si lo que he dicho hasta aquí es correcto, eso implica que la masa realmente no cambia, en todo caso cambiará otra cosa, el momento quizás?

    Saludos ;-)

    • José María, un físico a la pregunta ¿realmente existe la masa? ha de de contestar siempre que sí. En relatividad masa, momento y energía son “más o menos” la misma cosa gracias a la famosa fórmula E=m c². De ahí tu confusión. Algunos físicos hablan de “masa longitudinal” (en la dirección del vector velocidad) y “masa transversal” (en la dirección transversal a la velocidad). En realidad es sólo una forma de hablar.

      Que no te gusta esta fórmula tan famosa y compacta porque en ella la masa no es la “masa en reposo” (todo cuerpo con masa distinta de cero se puede describir en un sistema de referencia en el que se encuentre en reposo su centro de masas), pues ningún problema utiliza la fórmula del momento E²=(m(0)c²)²+(pc)², donde m(0) es la masa en reposo (cuando p es un vector, p² quiere decir el cuadrado del módulo del vector).

      Como tú bien dices, “la masa en reposo no cambia” lo que cambia es el momento. Lo dicho, para un físico relativista masa, energía y momento son “más o menos” la misma cosa, una cosa diferente a masa en reposo, claro.

      • Gracias por la respuesta, solo un comentario más, respecto a: “un físico a la pregunta ¿realmente existe la masa? ha de de contestar siempre que sí.” Estoy de acuerdo, a lo que me refería es a si existe la masa relativista. En cualquier caso me lo has aclarado en tu respuesta.

        Saludos ;-)

        PD: Me resulta muy interesante tu blog, te acabo de añadir a mi google reader :D

  3. He empezado mil veces a escribir un post sobre Higgs y el campo de masa. Cuando llego a la definición siempre me pasa lo mismo: me doy de bruces con el principio antrópico y la epistemología. Admitir que no sabemos lo que son conceptualmente aunque hagamos uso de ello me parece muy difícil de explicar. Toda la física se basa en modelos, en asunciones de partida, en una cierta axiomática subyacente que damos por hecho y que realmente sustenta todo pero no sabemos explicar qué es realmente.

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