¿Podría llegar alguna visión del esquivo bosón de Higgs – la partícula que se busca ansiosamente en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN – de un simple material sólido? Sí, de acuerdo con un trío de físicos españoles, que defienden que las pistas vitales podrían llegar de la observación del grafeno ? una lámina de carbono de apenas un átomo de grosor. Defienden que las ondas en este material surgen a partir de un proceso de ruptura de simetría similar al que separó las fuerzas electromagnéticas y débil en los inicios del universo.

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A las elevadas energías de los inicios del universo, la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética se cree que convergían en una fuerza electrodébil. Conforme la temperatura del universo caía por debajo de cierto punto, las dos fuerzas de pronto se separan. Esta “ruptura de simetría electrodébil” puede explicarse en términos de campo – el campo de Higgs – variando de un estado de alta energía efectivamente vacío a su estado base, llenando el espacio con un campo que da a algunas partículas su masa.

El aún por detectar bosón de Higgs es la partícula asociada con las vibraciones de este campo, y está siendo buscada actualmente en el LHC. Pero, ¿qué lleva exactamente al campo de Higgs entre los estados de alta energía y base? Aunque los parámetros del Modelo Estándar de la física de partículas pueden ajustarse para forzar la ruptura de simetría, es posible que el campo de Higgs no necesite ninguna ayuda. Pablo San-José y sus colegas del Instituto de Ciencias de los Materiales en Madrid defienden ahora que los estudios sobre la emergencia de las ondas en el grafeno podrían arrojar algo de luz sobre el proceso.

Quitarse el sombrero por el Higgs

La ruptura de simetría espontánea está en el corazón de la analogía – el grafeno pierde parte de simetría en la transición de forma plana a ondulada, de la misma forma que la “activación” del campo de Higgs está ligada a la ruptura de la simetría electrodébil. En comparación con las enormes escalas cosmológicas, las láminas de carbono podrían parecer un poco mundanas, pero San-José cree que no. “Medir las ondas del grafeno bajo una tensión variable podría darnos información sobre los detalles de la condensación intrínseca del Higgs”, señala.

Trabajando junto a sus colegas Francisco Guinea y José González, San-José afirma haber demostrado que el paisaje de energía del grafeno ondeando en 2D y el del campo de Higgs en 3D, se describen mediante potenciales similares de “sombrero mexicano”. Como un sombrero, el potencial de energía empieza alto en el centro, pero decae rápidamente hacia el mínimo en cualquier otra dirección. La curvatura negativa en la cima asegura que la simetría se rompe espontáneamente – cualquier empuje desde el centro envía el sistema hacia abajo desde un punto estable en la cima, justo donde el borde del sombrero empieza a aumentar de nuevo.

En el caso del grafeno, la curvatura negativa es el resultado de cómo responde el grafeno a ser estirado y comprimido. En la física de partículas, una curvatura negativa es el resultado de la relación entre el campo de Higgs y la masa “desnuda” del bosón de Higgs. Para ser inestable, esta masa desnuda debe ser imaginaria – el bosón de Higgs adquiere una masa real y efectiva cuando el campo alcanza su verdadero estado base estable.

De acuerdo con San-José, estudiar cómo responde el grafeno a la comprensión trabajando con las ondas, podría dar pistas de cómo se condensa el Higgs. Las pequeñas y espontáneas ondas en ausencia de compresión, por ejemplo, sugerirían que el campo de Higgs puede condensarse sin requerir una masa desnuda imaginaria para el bosón de Higgs. Los experimentos podrían también estudiar la estructura del potencial en casos donde las ondas son mayores, proporcionando información sobre difíciles detalles matemáticos de la teoría de campo cuántico de Higgs.

Ajustable usando electrones

Vitor Pereira, físico de materia condensada de la Universidad Nacional de Singapur, está interesado en la explicación del equipo español sobre cómo surgen estas ondas en el grafeno, lo cual ve como interacciones entre electrones y las deformidades de la estructura que ablandan el material. Sugiere que la estructura del grafeno podría ser ajustable a través del control de los electrones.

Pereira añade que las propiedades del grafeno podrían imitar otros proceso de difícil experimentación, tales como pares partículas-antipartícula que surgen en el vacío. Aunque algunos investigadores se mantienen escépticos sobre la precisión de tales modelos, él cree otra cosa. “Está genial usar el grafeno, la forma más simple de los sistemas de materia condensada, como un banco de pruebas para esos fenómenos sofisticados de ‘alta energía’”, comenta.

Se informa de dicho trabajo en Phys. Rev. Lett. 106 045502.