Última jaula del zoo elemental: los bosones. Cuatro son mensajeros — cada fuerza (salvo la gravedad) se transmite intercambiando uno — y el quinto, el Higgs, no transmite ninguna fuerza clásica: hace algo más raro y más profundo. Este artículo es su quién-es-quién; el cómo funcionan las fuerzas es el módulo I.3.
Fotón y gluón: parecidos en la ficha, opuestos en la vida
El fotón y el gluón comparten ficha: masa cero, espín 1. Y sin embargo no hay dos vidas más distintas, y la diferencia cabe en una frase: el fotón es neutro respecto a la fuerza que transmite; el gluón no. El fotón no tiene carga eléctrica, así que dos fotones se cruzan sin verse y un fotón viaja miles de millones de años en línea recta — el alcance del electromagnetismo es infinito. El gluón, en cambio, tiene carga de color: los gluones se atraen entre sí, la fuerza se enrolla sobre sí misma, y el resultado es el confinamiento — el gluón está preso en la misma cárcel de ~1 fm que custodia. Un mensajero sin masa cuya fuerza no llega más allá del radio de un protón: la paradoja que hace única a la fuerza fuerte.
W y Z: los pesos pesados que cambian el mundo
Los mensajeros débiles ya los conoces de 1983: W± (80,4 GeV/c²) y Z⁰ (91,2 GeV/c²) — cien protones cada uno. Su masa enorme comprime el alcance de la fuerza débil a una milésima del protón (la cuenta de Yukawa del módulo de historia) y hace lentísimo todo lo que tocan.
Pero la ficha esconde el dato más importante: el W es el único mensajero con carga eléctrica, y eso le permite lo que ningún otro puede — cambiar el sabor de las partículas. Cuando un neutrón se desintegra, lo que ocurre de verdad es que uno de sus quarks d emite un W⁻ y se convierte en u:
Toda la radiactividad beta, la fusión del Sol (que necesita convertir protones en neutrones), la muerte de la Λ y de todo el catálogo extraño, con charm y con bottom — todo es el W haciendo de alquimista. El Z, su hermano neutro, no cambia sabores: empuja sin transformar (las «corrientes neutras» de 1973), y su gran momento fue el censo de LEP: contar tres familias de neutrinos con la anchura de su ficha.
El Higgs: el bicho raro
El bosón de Higgs no encaja en el molde: espín 0 — el único escalar elemental —, sin carga, y no media ninguna de las cuatro fuerzas. Es el cuanto de un campo que llena el vacío entero, y las partículas elementales adquieren masa frotándose con ese campo: cuanto más se acopla una partícula al campo de Higgs, más pesa. El fotón no se acopla nada: masa cero. El top se acopla más que nadie: 172,5 GeV. Las masas del zoo elemental no son propiedades íntimas de cada partícula, sino la intensidad de su conversación con el Higgs.
Problema. El Higgs se acopla a cada fermión en proporción a su masa, así que se desintegra preferentemente a lo más pesado que pueda pagar. Compara las tasas de y .
Solución. La tasa va como el acoplamiento al cuadrado, es decir como :
Resultado. Por cada Higgs que muere en muones, 283 mueren en taus. El LHC lo confirma a la perfección: H → ττ se midió pronto (2014); para acumular evidencia de H → μμ hubo que esperar a 2020. ¿Y a electrones? veces menos aún: probablemente no se observe en décadas. La jerarquía de masas del zoo, escrita en las desintegraciones del Higgs.
Y con esto, el censo elemental queda completo. Las 17 fichas, con su siglo largo de descubrimientos — la tabla que tardó 115 años en llenarse:
Las 17 partículas del Modelo Estándar y el año en que cada una se observó directamente. Arrastra el año y mira la tabla llenarse — tardó 115 años.
17 de 17 partículas observadas · última: Higgs (2012) — 48 años después de proponerse
El zoo, resumido en cuatro fichas. Fotón: sin masa, neutro, alcance infinito. Gluón: sin masa pero con color — preso de su propia fuerza. W/Z: ~100 protones de masa, alcance de 10⁻³ fm; el W es el único que cambia sabores. Higgs: espín 0, no media fuerzas: da masa según el acoplamiento. Los módulos I.3 (fuerzas) y I.7 (Higgs) desarrollan lo que estas fichas solo apuntan.
Ejercicios
Con la regla alcance ↔ masa (, con MeV·fm), calcula el alcance de una fuerza mediada por el Z (91 188 MeV). ¿Y si el fotón tuviera una masa de 1 eV?
Solución
Z: fm — dos milésimas del radio del protón. Un fotón de 1 eV ( MeV): fm = 0,2 μm — ¡el electromagnetismo se cortaría a fracciones de micrómetro y no habría imanes de nevera! Por eso las cotas experimentales a la masa del fotón son tan brutales (< 10⁻¹⁸ eV): basta comprobar que los campos magnéticos planetarios llegan lejos.
En la fusión solar, dos protones deben convertirse en deuterio: p + p → d + e⁺ + ν. ¿Qué transformación de quarks ocurre dentro, y qué bosón la media? ¿Qué tiene que ver la masa de ese bosón con que el Sol dure 10 000 millones de años?
Solución
Un protón (uud) debe volverse neutrón (udd): un quark u emite un W⁺ y se convierte en d; el W⁺ se materializa como e⁺ + ν. Es el mismo vértice de la desintegración beta, al revés. Como el W pesa 80 GeV y la energía disponible son unos pocos MeV, el proceso es rarísimo: un protón del núcleo solar espera miles de millones de años de media antes de fusionarse. La masa del W es, literalmente, el cronómetro de las estrellas — si fuera diez veces menor, el Sol se habría quemado antes de que la Tierra se enfriara.
El Higgs da masa a quarks, leptones, W y Z. ¿De dónde sale entonces la masa de un protón — y la tuya? (Repaso traicionero del artículo anterior.)
Solución
Del Higgs, casi nada: los tres quarks del protón suman ~9 MeV de sus 938. El 99% es energía de confinamiento de la fuerza fuerte — gluones y movimiento de quarks. Si el campo de Higgs se apagara, los quarks y el electrón quedarían sin masa y los átomos se desintegrarían… pero el protón seguiría pesando casi lo mismo. La frase «el Higgs da la masa a la materia» es, para la materia que te compone, un 1% verdadera. El 99% restante es QCD — y es la historia del módulo I.3.
Todo lo que el módulo deja utilizable, con dónde se dedujo cada cosa. Pensado para leerse dentro de seis meses sin releer nada: si para resolver un problema típico del módulo hay que volver al texto a buscar una constante, esta tabla ha fallado.
| Qué | Fórmula o valor | Dónde |
|---|---|---|
| Elemental o compuesta | 17 elementales frente a cientos de hadrones; el electrón es puntual hasta 10⁻¹⁸ m, el protón mide 0,84 fm | art. 01 |
| La ficha del PDG | masa · carga · espín · vida media — y la vida media es la casilla que delata quién mata | art. 01 |
| Fermión o bosón | espín semientero → Pauli (materia que ocupa sitio); entero → se amontonan (láser) | art. 01 |
| Leer una ficha en frío | muón: espín 1/2, 105,7 MeV, τ = 2,2 μs → solo cabe μ⁻ → e⁻ν̄eνμ por la débil (100 %) | art. 01, ej. resuelto 1 |
| Rango de masas elementales | top 172,5 GeV/c² frente a electrón 0,511 MeV/c²: factor 3,4×10⁵ sin explicación (módulo I.8) | art. 01, ej. 1 |
| Hadrones estables | uno solo: el protón. El neutrón libre vive ~880 s (15 min); ligado en un núcleo estable, para siempre | art. 01, ej. 1 |
| Tres masas iguales, tres verdugos | Δ⁺⁺ 1232 MeV → 5,6×10⁻²⁴ s (fuerte) · Σ⁰ 1193 → 7,4×10⁻²⁰ s (EM) · Λ 1116 → 2,6×10⁻¹⁰ s (débil) | art. 01, ej. 2 |
| Leptones cargados | e 0,511 · μ 105,7 · τ 1776,9 MeV/c² → proporción 1 : 207 : 3477 | art. 02 |
| Por qué el electrón es estable | es la partícula cargada más ligera y la carga se conserva; τe > 10²⁸ años (≈ un trillón de veces la edad del universo) | art. 02 |
| El presupuesto manda | el μ (105,7) no llega al pión (139,6): solo eνν̄. El τ (1776,9) sí: ~65 % hadrones, ~17,5 % eνν̄, ~17,5 % μνν̄ | art. 02, ej. resuelto 1 |
| Neutrinos | tres tipos, sin carga ni color, solo débil; mν < 0,45 eV (KATRIN, 2025); 340 reliquias por cm³ | art. 02 |
| Número leptónico, por familia | +1 leptón, −1 antileptón, contado en e, μ, τ por separado: salva μ⁻ → e⁻ν̄eνμ y prohíbe μ → eγ | art. 02, ej. resuelto 2 y ej. 1 |
| La cota de MEG-II | BR(μ → eγ) < 3×10⁻¹³; las oscilaciones garantizan que no es exactamente cero — por eso se sigue buscando | art. 02, ej. resuelto 2 |
| La masa es la moneda | los 1776,9 MeV del τ compran 1738 pares e⁺e⁻ o 12 piones cargados | art. 02, ej. 2 |
| Flujo solar, de servilleta | 2×10³⁸ ν/s repartidos en 4π(1,5×10¹³ cm)² → 7×10¹⁰ cm⁻²s⁻¹, que reproduce el 6×10¹⁰ citado en I.1 | art. 02, ej. 3 — paga el dato prestado en I.1, art. 02 |
| Masas desnudas de los quarks | u 2,2 · d 4,7 · s 93,5 · c 1270 · b 4180 · t 172 500 MeV/c² — factor 80 000 del u al top | art. 03 |
| Cargas y sabor | +2/3 (u, c, t) y −1/3 (d, s, b); solo la fuerza débil sabe cambiar un sabor por otro | art. 03 |
| El 99 % de tu masa | uud suma 9,1 MeV frente a los 938,3 del protón: el Higgs pone menos del 1 %, el resto es QCD | art. 03, ej. resuelto 1; art. 04, ej. 3 |
| El pelo del que cuelga el universo | d − u = 2,5 MeV → el neutrón pesa un 0,14 % más que el protón; al revés, no habría hidrógeno | art. 03 |
| Las dos recetas del confinamiento | solo son observables los estados blancos: qq̄ (mesones) y qqq (bariones); «qq» es imposible por color | art. 03, ej. 2 |
| Cuánto pegamento hay en un hadrón | Ω⁻ (sss): (1672 − 280)/1672 = 83 % · Υ (bb̄): (9460 − 8360)/9460 = 12 % | art. 03, ej. 3 |
| Sabor abierto frente a oculto | D, B, Λc viven ~10⁻¹²–10⁻¹³ s (la débil mata el sabor); la J/ψ, 7,1×10⁻²¹ s, porque cc̄ se aniquila por la fuerte | art. 03 |
| Vidas de bolsillo | n 880 s · μ 2,2 μs · π± 2,6×10⁻⁸ s · τ 2,9×10⁻¹³ s · π⁰ 8,5×10⁻¹⁷ s · Δ 5,6×10⁻²⁴ s | arts. 02–03 |
| Fotón y gluón | ficha idéntica (masa 0, espín 1) y vidas opuestas: el fotón es neutro a su fuerza (alcance infinito), el gluón lleva color y queda preso en ~1 fm | art. 04 |
| W y Z | 80,4 y 91,2 GeV/c²; alcance ħc/mZc² = 2,2×10⁻³ fm. El W es el único mensajero con carga — y por eso el único que cambia sabores | art. 04, ej. 1 |
| Cota a la masa del fotón | mγ < 10⁻¹⁸ eV; con 1 eV el alcance electromagnético se cortaría a 0,2 μm y no habría imanes de nevera | art. 04, ej. 1 |
| El Higgs elige a los pesados | Γ ∝ m²: Γ(H→ττ)/Γ(H→μμ) = (1776,9/105,7)² = 283; a electrones, 2×10⁻⁵ veces menos aún | art. 04, ej. resuelto 1 |
| El W como cronómetro estelar | p + p → d + e⁺ + ν exige u → d + W⁺ con 80 GeV de prestado: un protón solar espera miles de millones de años | art. 04, ej. 2 |
| El inventario elemental | 12 fermiones de materia + γ, 8 gluones, W±, Z + el Higgs = 17 especies; espín 0 solo el Higgs | art. 01, callout; art. 04 |