Física de les partícules: La confirmació experimental del bosó de Higgs, obtinguda l’any 2012, ha acabat de decidir la Reial Acadèmia Sueca de Ciències per atorgar el Premi Nobel en Física a Peter W. Higgs, qui proposà la corresponent teoria per explicar l’adquisició de massa per part de les partícules subatòmiques. El guardó també reconeix la tasca realitzada per François Englert i Robert Brout, que en el 1964, havien proposat una teoria similar de manera paral·lela. En tot cas, com que Brout ja no viu (es va morir el 3 de maig del 2011), el Premi Nobel serà compartit per Englert i Higgs. El bosó de Higgs constituïa, per dir-ho així, la darrera peça en el trencaclosques del model estandard de la física de partícules, cosa que li havia valgut l’apel·latiu, un xic exagerat, de “partícula de Déu”. El jurat ha concedit el Nobel a Englert i Higgs “per la descoberta teòria d’un mecanisme que contribueix a la nostra comprensió de l’origen de la massa de partícules subatòmiques, i que recentment fou confirmat a través de la descoberta de la partícula fonamental predita, per part dels experiments ATLAS i CMS del Gran Col·lisor d’Hadrons del CERN“. La segona part de la frase traspua un cert sentiment de culpa per no haver atorgat aquest Nobel abans.
François Englert
François Englert (*Etterbeek, Brussel·les, 6.11.1932) es va graduar en enginyeria electromecànica per la Universitat Lliure de Brussel·les (ULB) en 1955, on realitzà després una tesi amb la qual es doctorà en ciències físiques (1959). Realitzà un post-doctorat a la Universitat de Cornell, sota la direcció de Robert Brout (1959-61). Robert Brout era tan sols quatre anys més gran que Englert (havia nascut el 14 de juny del 1928, a Nova York). Després tornà a la ULB. Brout també passà a Brussel·les, i fou allà, en el 1964, que tots dos proposaren un mercanisme per a l’adquisició de la massa. Això els consagrà com a físics teòrics. Encara que, des del 1998, Englert és professor emèrit de la ULB, encara és actiu com a professor visitant distingit en el Chapman University’s Institute for Quantum Studies.
Peter Higgs
Peter Higgs (*Elswick, Newcastle upon Tyne, 29.5.1929) va passa bona part de la infantesa a Bristol. Estudià a la Cotham Grammar School (1941-46), on el record de l’alumne més cèlebre, Paul Dirac, l’orientà a l’estudi de la física fonamental. Això exigia una excel·lent formació en matemàtiques (City of London School, 1946). En el 1947 començà estudis de física al King’s College, graduant-se com a alumne destacat (1950) i fent-hi després el mestratge (1951) i el doctorat (1954). La tesi doctoral de Higgs, dirigida per Charles Coulson, versà sobre problemes en la teoria de les vibracions moleculars. Entre el 1954 i el 1956 va fer recerca a la Universitat d’Edinburgh, i després tornà a Londres per treballar en l’Imperial College i l’University College. En el 1960 tornà a Edinburgh.
Higgs és un científic ben arrelat a Endiburg, ciutat que visità per primera vegada en el 1949. Des dels anys 1950 fou actiu en la Campanya per al Desarmament Nuclear (CND), si bé s’hi allunyà quan el grup inclogué entre els seus punts l’oposició a l’ús civil de l’energia nuclear. De manera similar, trencà amb Greenpeace quan aquesta organització adoptà una posició d’oposició a l’ús d’organismes genèticament modificats. En el 2004, refusà recollir el premi Wolf a Jerusalem, donat el caràcter d’estat que s’havia donat a la cerimònia: una forma de manifestar la seva oposició a l’actuació d’Israel en el territoris ocupats.
El mecanisme de Brout-Englert-Higgs
El model estàndard de les partícules elementals pot resumir-se en una taula com aquesta:
Aquestes partícules elementals es poden classificar en tres grups: quarks, leptons i bosons intermediaris. Mentre quarks i leptons són les partícules materials, els bosons intermediaris expliquen les diferents interaccions energètiques fonamentals.
La unificació electromagnètica, en la segona meitat del segle XX, i la descoberta de l’energia nuclear, va permetre reduir el nombre d’interaccions a quatre: l’energia gravitatòria, l’energia electromagnètica, l’energia nuclear feble i l’energia nuclear forta. Els esforços teòrics per unificar aquestes quatre interaccions han reeixit més o menys en les tres darreres, però l’energia gravitatòria s’escapa. Vincular la teoria quàntica i la teoria gravitatòria (la teoria de la relativitat general) exigeix explicar la massa en el marc de la primera. La teoria de la relativitat general es basa en l’equivalència entre la massa inercial (la mesura quantitativa de la resistència d’un objecte a canvis de velocitat) i la massa gravitatòria (definida bé com a massa gravitatòria activa o com a força gravitatòria passiva).
Precisament, fou la teoria electrofeble de Sheldon Glasgow (que combinava la interacció electromagnètica amb la interacció nuclear feble) la que constituí el primer pas en el model estandard (1960). El segon pas fou definir el mecanisme que conferia massa a les diferents partícules fonamentals. Philip Warren Anderson (1963) n’havia proposat les característiques bàsiques, a partir de les propostes de Julian Schwinger. Englert & Brout (1964), Higgs (1964) i Guralnik et al. (1964) desplegaren gairebé en paral·lel el mecanisme proposat per Anderson. Per diversos motius, el mecanisme ha estat denominat “mecanisme de Higgs”, per bé que hom també ha fet servir altres combinacions: “mecanisme de Brout-Englert-Higgs”, “mecanisme d’Anderson-Higgs”, “mecanisme d’Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble” o fins i tot mecanisme ABEGHHK’tH (citant per ordre alfabètic P. W. Anderson, R. Brout, F. Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen, Higgs, Tom Kibble i Gerard ‘t Hooft). Com que s’imposà el nom de “mecanisme de Higgs”, també s’emprà el nom de “camp de Higgs” per referir-se al camp pervasiu per tot l’univers a partir del qual es genera el “bosó de Higgs”, el bosó d’interacció que dota de massa les altres partícules fonamentals. La consagració d’aquest mecanisme arribà de la mà d’Steven Weinberg i Abdus Salam, que el van incorporar a la teoria electrofeble per donar lloc al model estàndard tal com el coneixem actualment (1967).
El mecanisme de Higgs postula l’existència d’un bosó d’interacció (bosó de Higgs). D’aquesta manera, hom explica el caràcter aparentment arbitrari de les masses de quarks i leptons. Tot i així, el model estàndard dista encara de ser satisfactori. Segons el model, els neutrinos no tindrien massa en estat de repòs, però dades experimentals indiquen el contrari. D’altra banda hi ha una discrepància entre la massa observable de les galàxies i dels cúmuls galàctics i la massa gravitatòria d’aquests sistemes, i d’ací la conjectura de la matèria fosca. A més, l’univers mostra una taxa d’expansió superior a l’esperable, que exigeix l’existència d’una energia fosca, que suposaria potser fins a tres quartes parts de tota l’existència.
No ha estat fins el març del 2013, quan els experiments ATLAS i CMS assenyalen experimentalment l’existència del bosó de Higgs a través de signatures produïdes en col·lisions atòmiques de molt alta velocitat. No obstant, encara cal confirmar que les característiques de la partícula detectada coincideixen amb l’assumida pel model estàndard. Som, però, encara lluny de disposar d’una taula de les partícules fonamentals, ja que el model estàndard podria no explicar fenomens còsmics com la matèria fosca o l’energia fosca. D’altres models “ultra-estàndards” proven d’explicar algunes de les característiques dels neutrinos que no encaixen amb el model actual.
