¿Por qué las masas de las partículas elementales no son invariables?

En física, la masa y el peso de un objeto representan dos conceptos esencialmente diferentes. La masa de un objeto es una medida de la cantidad de materia que contiene, a diferencia del peso, que es una medida de la fuerza gravitatoria a la que está sometido. Según las leyes de Newton, esa fuerza gravitatoria o peso es proporcional a la masa, por lo que ambos conceptos suelen utilizarse indistintamente, aunque de forma inapropiada, en el lenguaje coloquial.

Un objeto a nivel del mar es ligeramente menos pesado en la cima del Everest porque está más alejado del centro de la Tierra, lo suficiente para que la intensidad de la gravedad sea ligeramente más débil. En la superficie de la Luna, donde la intensidad de la fuerza gravitatoria es seis veces menor que en la Tierra, su peso es, en consecuencia, seis veces menor. Su masa, en cambio, es una cantidad invariable, característica del objeto e independiente del lugar en el que se encuentre. Para ser precisos, en lugar de preguntar “¿cuánto peso?”, deberíamos plantear siempre la pregunta “¿cuál es mi masa?”.

En el mundo microscópico ocurre algo similar. Aunque la fuerza de la gravedad no suele ser relevante entre las partículas elementales, éstas se encuentran sometidas a otras fuerzas fundamentales como la fuerza fuerte, la débil y la electromagnética, y la intensidad de todas estas fuerzas no siempre es la misma, sino que depende en gran medida de la energía a la que las partículas elementales se aceleran y colisionan entre sí.

Lo extraordinario en este caso es que debido a las leyes cuánticas que gobiernan el microcosmos, las masas de las partículas elementales dejan también de ser una cantidad intrínseca inmutable. Esa variabilidad, sin embargo, no es arbitraria. Aunque la teoría llamada Modelo Estándar no puede predecir el valor de las masas de las partículas elementales ni la intensidad de las fuerzas fundamentales, sí predice con gran precisión cómo cambian en función de la energía. Es decir, midiendo las masas e intensidades de las fuerzas en un experimento a una energía de referencia, podemos predecir cuales serán sus valores en otro experimento donde las partículas interaccionen a una energía diferente.

Esa variabilidad viene determinada por las fluctuaciones cuánticas del vacío permitidas por la teoría. Estas fluctuaciones generan a partir del vacío partículas virtuales que aparecen y desaparecen afectando a la masa y a la intensidad de las fuerzas en función de la distancia, o equivalentemente energía, a la que observamos la partícula. Los llamados quarks deberían ser, según el Modelo Estándar, cada vez más ligeros a medida que realizamos experimentos a energías más altas. En cambio, el bosón de Higgs y los leptones, como los electrones y muones, serían más masivos.

Demostrar que las masas de las partículas elementales cambian en función de la energía del experimento es, en primer lugar, una prueba clara de su comportamiento cuántico. Medir además ese cambio con gran precisión permite, por un lado, someter a un test de estrés la validez de las predicciones del Modelo Estándar y, por otro, intuir la posible existencia de nuevas partículas o fuerzas en caso de que los datos se desvíen de la evolución esperada.