El 4 de julio del 2012 se anunció el descubrimiento de una nueva partícula, en el "Gran Colisionador de Hadrones" (LHC, por sus siglas en inglés) del CERN. El bosón de Higgs, una hipótesis teórica formulada en 1964 para poder entender las masas de los constituyentes elementales de la materia, se confirmaba como un ingrediente tangible del mundo real. El bosón de Higgs tiene para la física una relevancia equiparable a la que tuvo el descubrimiento del ADN en biología o la evidencia de la estructura atómica y molecular en química. Desde el punto de vista tecnológico supone un hito comparable a la llegada del hombre a la Luna, pero sus repercusiones científicas son mucho más importantes. Es también un ejemplo paradigmático de colaboración internacional, a escala mundial y con liderazgo europeo, aunando los esfuerzos de toda la comunidad de físicos de partículas hacia un gran objetivo común. Cuatro décadas de intenso trabajo científico y desarrollo de avanzadas tecnologías han culminado con un gran éxito colectivo.

Al descubrir el bosón de Higgs, hemos confirmado la existencia de un nuevo campo de fuerzas, de naturaleza distinta a los cuatro que ya conocíamos (electromagnético, fuerte o nuclear, débil y gravitatorio). Al igual que la interacción electromagnética se transmite mediante el intercambio de fotones, el bosón de Higgs es el mediador del "campo de Higgs", un campo de fuerzas que impregna todo el espacio-tiempo, frenando el movimiento de las partículas que interactúan con él y generando por tanto su masa. A diferencia de las otras cuatro fuerzas, el campo de Higgs no puede ser polarizado; es un campo escalar (sin espín) con los mismos números cuánticos que el vacío físico.

El "Modelo Estándar" de la física de partículas ofrece una descripción simple y precisa del mundo microscópico, basada en unos pocos constituyentes elementales: seis quarks (u, d, s, c, b, t), partículas que interaccionan fuertemente para formar el protón, el neutrón y muchos más estados compuestos llamados hadrones, y seis leptones (electrón,muón, tau y sus correspondientes neutrinosne, nmynt), partículas que no tienen interacción fuerte. Es un marco conceptual extraordinariamente elegante y predictivo que, a partir de simples postulados de simetría, es capaz de determinar las propiedades dinámicas de las distintas interacciones (no incluye la gravedad). Sus predicciones han sido comprobadas con gran precisión por un gran número de experimentos, confirmando que es la teoría correcta. Sin embargo, su formulación original tenía un grave problema que la hacía inaceptable: las mismas simetrías que determinan las interacciones implicaban que todas las partículas elementales debían tener masa nula.

La ausencia de partículas masivas haría totalmente inviable la existencia del Universo que conocemos. Un electrón sin masa viajaría a la velocidad de la luz y no podría ser atrapado por los protones para formar átomos. Todas las propiedades químicas y las estructuras biológicas dependen en última instancia del valor pequeño, pero no nulo, de la masa del electrón. El quark "d" (down) es más pesado que el "u" (up); la diferencia entre sus dos masas parece irrelevante frente a las masas de los núcleos atómicos, pero es el parámetro crítico que permite su estabilidad. Si el quark "d" fuese más ligero, el protón tendría una masa mayor que la del neutrón y se desintegraría; los núcleos atómicos no existirían y tampoco los átomos, moléculas, etc. La interacción débil, responsable de iniciar las reacciones que hacen lucir las estrellas y de buena parte de la radioactividad natural, solo se manifiesta a distancias más pequeñas que el tamaño del protón porque sus bosones mediadores, W± y Z, son muy pesados, con masas 80 y 90 veces, respectivamente, más grandes que la del protón. La "obesidad" de estas dos partículas suprime enormemente la intensidad de la interacción, de ahí su denominación de "débil", regulando la velocidad a la que se producen algunos procesos cruciales para el funcionamiento de nuestra principal fuente de energía, el Sol. Sin esas dos grandes masas, el Universo sería totalmente distinto.

El campo de Higgs resuelve el problema de forma ingeniosa, al introducir un mecanismo de generación de masas, respetando las simetrías que determinan las demás fuerzas. Es por tanto un ingrediente crucial para asegurar la consistencia del Modelo Estándar y supone un avance científico de gran trascendencia. Un problema conceptual en la comprensión de los fenómenos que observamos nos hizo suponer la existencia de un nuevo campo de fuerzas totalmente desconocido, que finalmente ha sido descubierto tras muchos años de intensa búsqueda.

El LHC inicia de nuevo su funcionamiento dentro de unas semanas, colisionando haces de protones con casi el doble de energía (13 TeV) de la que tenían anteriormente y mayor intensidad. El estudio detallado del campo de Higgs será, obviamente, una de sus prioridades. Aunque toda la información disponible encaja muy bien con el bosón que estábamos buscando, es necesario analizar de forma precisa sus propiedades para poder descartar otras posibles alternativas. ¿Existe un único bosón de Higgs con las propiedades predichas por el Modelo Estándar, o hemos descubierto el primer miembro de una nueva familia de partículas escalares? (el Higgs es la única partícula elemental del Modelo Estándar que no tiene espín). Muchos modelos de nueva física contienen campos adicionales. En particular, en las teorías supersimétricas, todas las partículas elementales que conocemos (incluyendo el Higgs) tienen parejas con distinto espín que no deberían ser mucho más pesadas; la búsqueda en el LHC de estas hipotéticas partículas supersimétricas puede confirmar o refutar su existencia. Otra posibilidad es que el bosón de Higgs, en vez de ser un objeto elemental, esté compuesto por constituyentes todavía no descubiertos; un nivel de subestructura adicional que daría lugar a nuevas formas de materia.  

Con dos quarks, "u" y "d", y dos leptones, el electrón y el neutrino electrónico ne emitido por los núcleos radioactivos, podríamos entender toda la materia ordinaria que nos rodea. Sin embargo, la naturaleza ha replicado tres veces cada uno de estos cuatro objetos. El muón (m) y el tau (t) son partículas idénticas al electrón, pero de mayor masa, con sus respectivos neutrinos asociados, nm y nt. La masa es también la única diferencia entre los quarks "u" y "d" y sus réplicas más pesadas, "c" (charm) y "t" (top) en el caso del "u", "s" (strange) y "b" (beauty) para el "d". Desconocemos las razones de la existencia de estas réplicas, también llamadas familias o generaciones, pero parece evidente que la respuesta tiene que estar asociada al origen de sus distintas masas, es decir a su interacción con el campo de Higgs. Un análisis minucioso de las propiedades del quark "top", la partícula elemental más pesada conocida (su masa es 175 veces más grande que la del protón), y las de su correspondiente antiquark, puede aportar información muy valiosa. 

El LHC puede también clarificar dos grandes misterios del Universo, estrechamente relacionados con el concepto de masa. Por un lado, y a pesar de que materia y antimateria obedecen leyes físicas similares, no hay apenas antimateria en el Universo observable. Este hecho parece estar relacionado con la existencia de tres réplicas de los constituyentes elementales: el Modelo Estándar necesita al menos tres familias de quarks y leptones para poder producir alguna asimetría entre materia y antimateria. Si al principio del Universo, tras la gran explosión (el Big Bang), se hubiese generado un poco más de materia que de antimateria, la subsiguiente aniquilación entre ellas daría lugar a un Universo de radiación pura con una pequeña cantidad de materia remanente. No obstante, ya sabemos que el Modelo Estándar no genera una asimetría suficiente para explicar el Universo en que vivimos, por lo que deben existir otros mecanismos físicos que todavía ignoramos. Otro enigma candente es la naturaleza de la llamada "materia oscura", de la cual tenemos muchas evidencias astrofísicas. La materia que conocemos solo representa el 5% de la masa del Universo, mientras que un 21% parece corresponder a una forma distinta de materia que no emite radiación electromagnética (el resto es "energía oscura", algo mucho más misterioso y desconocido). Si la energía disponible es suficiente, el LHC podría producir los constituyentes de la "materia oscura" y permitirnos estudiar sus propiedades.

Durante los próximos años el LHC, una auténtica maravilla tecnológica, explorará qué hay más allá de las fronteras actuales del conocimiento. Empieza una etapa apasionante de investigación científica, en la que el bosón de Higgs puede ser una ventana a nuevos fenómenos de naturaleza insospechada.