El científico Guido Tonelli (Casola in Lunigiana, 1950) es profesor de física en la Universidad de Pisa (Italia), pero también fue uno de los dos investigadores del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) que a finales de 2011 presentó, junto a Fabiola Gianotti –la actual directora de la institución–, las primeras evidencias de una partícula que hacía décadas que buscaban los físicos: el bosón de Higgs.
En su obra El nacimiento imperfecto de las cosas, que acaba de presentar en España, Tonelli realiza una exhaustiva crónica de este gran descubrimiento, desde sus vivencias en el experimento CMS del gran colisionador de hadrones (LHC) hasta la concesión del Premio Nobel a François Englert y Peter Higgs, además de revelar las nuevas investigaciones que se plantean ahora.
¿A qué se refiere el título de tu libro?
En los primeros instantes después del Big Bang y la inflación cósmica, nuestro universo fue una especie de cuerpo perfecto. Estaba hecho de miríadas de partículas elementales, todas sin masa y moviéndose por doquier a la velocidad de la luz. Pero en aquel ‘universo perfecto’ no había posibilidades de evolucionar hacia el bello mundo material en el que vivimos. Podría haber durado para siempre en esa forma, pero nunca se hubieran formado objetos como una estrella o una piedra. Las ‘cosas’ se originaron a partir de un mecanismo peculiar que ahora ya podemos comprender.
«El momento más duro coincidió con el más gratificante: dos días después de la muerte de mi padre mostramos al mundo los primeros indicios del bosón de Higgs»
El bosón de Higgs y su campo…
Eso es. Tan pronto como el universo temprano se enfrió, los bosones de Higgs se ‘congelaron’, formando un campo ubicuo que rompió la simetría perfecta de los orígenes. Cada partícula, interactuando mediante diferentes fuerzas con el recién llegado, se hizo pesada o ligera. Esta diferencia fue crucial para permitir crear las primeras formas de materia estable en el universo. Algunos quarks permanecieron ligeros y se pudieron agregar para formar los protones. Alrededor de ellos los ligeros electrones empezaron a orbitar, y así nacieron los primeros átomos. Luego las moléculas, el polvo, las estrellas, las galaxias, los planetas y, finalmente, nosotros.
¿Existe alguna definición sencilla para comprender lo que es el higgs?
Sí, es una partícula especial cuya interacción con otras partículas elementales las aporta la propiedad que llamamos masa. Para entender la importancia de este mecanismo tan sutil, considera lo siguiente: cambia solo ligeramente la masa de un electrón y no habrá ‘cosas’. Las moléculas y los átomos se desintegrarán inmediatamente y no existirá ninguna clase de objetos materiales como los que conocemos.
¿Cuándo fue la primera vez que realmente sentiste que habíais descubierto el bosón?
El día oficial del descubrimiento fue el 4 de julio de 2012. Sin embargo, dentro de los experimentos del LHC, recogimos la primera evidencia de su presencia meses antes. Un día que recordaré siempre fue el 8 de noviembre de 2011, una fecha muy especial porque era mi cumpleaños. Recuerdo bien la excitación cuando dos grupos diferentes de investigadores jóvenes de nuestro experimento CMS informaron por primera vez de un exceso de eventos en la misma región de energía (125 GeV). En aquel momento no estábamos para nada seguros de que esa débil señal fuera a sobrevivir a todos los chequeos, pero fue una emoción increíble. Recuerdo que comente: “Hoy he recibido el regalo de cumpleaños más increíble que podría haber soñado”.
¿Cuáles fueron los momentos más dulces y amargos de tu experiencia en el CERN?
El trabajo de un físico de partículas experimental está lleno de retos. Para construir los aceleradores y detectores tan complejos y fantásticos que usamos, necesitamos empujar la tecnología al límite. El riesgo de fallo es parte de nuestra vida. Durante la construcción de los detectores ATLAS y CMS, pasamos crisis terribles y momentos en los que recibimos verdaderos ‘puñetazos en los dientes’. El accidente del LHC justo después de su inauguración en 2008 fue uno de ellos. Aunque para mí el momento más duro coincidió con el más gratificante: el 13 de diciembre de 2011, el día en el que participaba en un seminario especial en el CERN, junto a Fabiola Gianotti. Fue el punto álgido de mi carrera profesional: mostrábamos al mundo los primeros indicios de la partícula tan largamente buscada; pero coincidió, con gran dolor y tristeza, con la muerte tan solo dos días antes de mi padre.
¿Cuáles son los objetivos ahora sobre el higgs?
Por el momento, solo hemos medido las características principales de la nueva partícula y quedan errores que solucionar. El bosón de Higgs es un objeto muy especial que junta a todas las partículas, incluyendo, posiblemente, algunas de las muy masivas que predicen la supersimetría y los modelos de extradimensiones. Si existen esas partículas, serán demasiado pesadas para ser producidas directamente, pero se podrán ‘ver’ indirectamente, midiendo desviaciones de las propiedades esperadas del nuevo bosón. Aquí la estadística importa mucho, ya que necesitaremos producir decenas de millones de higgs para mejorar la precisión y estudiar desintegraciones muy raras que podrían ocultar ciertas anomalías.
¿Qué podría aportar el bosón de Higgs a la teoría de la supersimetría y a las investigaciones sobre materia y energía oscuras?
Continuamos buscando cualquier posible señal de la nueva física. Buscamos partículas supersimétricas que podrían explicar la materia oscura en el universo, pero también estamos abiertos a cualquier sorpresa, como partículas o interacciones desconocidas, incluso aquellas no predichas por las teorías más populares. Por ejemplo, buscamos la desintegración del bosón de Higgs en partículas invisibles que podrían ser responsables de la materia oscura. Seguimos dos rutas independientes: búsquedas directas y medidas de precisión. Con el LHC funcionando a 13 teraelectronvoltios (TeV) estamos explorando una región completamente nueva en la que se podrían esconder partículas muy pesadas. En los próximos 20 años podremos multiplicar varios factores la capacidad de búsqueda. En el régimen de alta de alta luminosidad, el LHC producirá una estadística enorme del bosón de Higgs.
¿Hacen falta nuevos aceleradores, como el futuro colisionador circular (FCC)?
Es urgente empezar a pensar en la próxima generación de colisionadores. Las primeras discusiones en el LHC empezaron a mediados de los 80, y el nuevo acelerador se completó en 2008. Si queremos una nueva máquina en 2040 es tiempo de actuar ahora. La dirección del CERN ha hecho muy bien en lanzar el grupo de estudio del FCC, que desde 2014 aglutina cada vez más apoyos. Cientos de investigadores están ofreciendo cantidad de aportaciones para resolver los retos físicos y tecnológicos. Nuestro sueño es construir un colisionador circular de 100 km que opere a 100 TeV, una máquina para afrontar las muchas cuestiones abiertas de la ciencia moderna.
¿Qué pueden aportar las nuevas generaciones de investigadores?
Nuestro campo es fantástico. Para entender la naturaleza necesitamos desarrollar continuamente ideas nuevas, conceptos innovadores y nuevas tecnologías. Por eso necesitamos estudiantes brillantes. Generalmente, estas nuevas ideas las traen mentes jóvenes y apasionadas que aman los retos. Es un tiempo muy emocionante para ser investigador y participar en la próxima ronda de grandes avances y descubrimientos. La ciencia es apasionante, así que si eres una persona joven, curiosa e inquisitiva, no hay razón para que no la elijas como profesión. Hay muchos retos científicos y tecnológicos a escala global y grandes oportunidades para que el trabajo de la gente joven tenga impacto en el mundo.
Dos preguntas recurrentes sobre el universo
“El origen del universo y su destino son las preguntas más populares que recibo en las conferencias que imparto para un público general”, señala Tonelli, que contesta: “Hoy sabemos que todo empezó de una pequeñísima fluctuación del vacío y que acabará en una mezcla de frío y oscuridad o en una terrible laceración caliente del vacío electrodébil”.
“Creo firmemente que son cuestiones muy importantes –subraya–. Son las mismas preguntas que hacen los niños habitualmente, pero en realidad están en lo más profundo de cada uno de nosotros. Los científicos lo único que intentamos es ofrecer una respuesta consistente y coherente”.