Un péndulo en rotación permite visualizar cómo las partículas adquieren masa

Un trabajo publicado en la revista European Journal of Physics demuestra que un péndulo físico en rotación puede reproducir el comportamiento del denominado potencial de Higgs, asociado al mecanismo por el que las partículas elementales adquieren masa mediante un proceso conocido como ruptura espontánea de simetría.

El mecanismo de Higgs constituye uno de los pilares de la física de partículas, aunque su comprensión resulta compleja incluso en contextos universitarios. La nueva analogía permite observar en un sistema mecánico sencillo fenómenos que normalmente solo se describen mediante modelos matemáticos abstractos.

El trabajo ha sido realizado por Ricardo Garés y Adrián González, dos estudiantes de grado de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), bajo la supervisión del investigador Iván Brihuega. Para ello, diseñaron un montaje experimental basado en un péndulo en rotación, reproducible en un laboratorio docente, que permite visualizar de forma directa conceptos clave como las bifurcaciones y la ruptura espontánea de simetría.

Ruptura espontánea de simetría

Más allá de su valor pedagógico, el trabajo muestra con rigor matemático y experimental que la analogía entre el péndulo y el campo de Higgs también se mantiene en el régimen de altas temperaturas del potencial de Higgs, un escenario utilizado en física de partículas para describir el comportamiento del universo primitivo instantes después del Big Bang.

El sistema experimental consiste en una varilla con una masa en su extremo fijada a un eje vertical que gira a velocidad angular constante. Esa velocidad se controla mediante un motor y se mide con una fotocélula. Cuando la rotación es lenta, el péndulo permanece estable en posición vertical. Sin embargo, al superar una velocidad crítica, esa posición deja de ser estable y el sistema pasa espontáneamente a uno de dos nuevos estados inclinados y simétricos entre sí. Este fenómeno se conoce como ruptura espontánea de simetría.

Los investigadores muestran además que, modificando la geometría del montaje —en concreto, el ángulo α que forma el brazo de soporte con el eje de rotación—, es posible romper la simetría del sistema y reproducir un comportamiento análogo al del potencial de Higgs a alta temperatura, donde uno de los estados posibles se vuelve más estable que el otro. Esta situación permite representar de manera accesible procesos similares a los que habrían ocurrido en el universo temprano.

Visualizar el campo de Higgs

El bosón de Higgs forma parte del denominado Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas fundamentales y sus interacciones. Su existencia fue propuesta en 1964 por Peter Higgs y otros investigadores, y confirmada experimentalmente en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. El descubrimiento fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2013.

El trabajo también ayuda a visualizar intuitivamente el funcionamiento del campo de Higgs. Según la teoría, este campo llena todo el universo y las partículas adquieren masa al interactuar con él. Cuanto mayor es esa interacción, mayor es la masa de la partícula. Otras partículas, como los fotones, no interactúan con el campo y por ello carecen de masa.

La ruptura espontánea de simetría —el fenómeno central del estudio— puede entenderse observando el propio péndulo. Mientras gira lentamente, el sistema mantiene una única posición vertical estable y simétrica. Pero, al superar cierta velocidad, esa posición se vuelve inestable, de forma parecida a intentar mantener un lápiz equilibrado sobre su punta. El péndulo termina inclinándose espontáneamente hacia uno de dos posibles estados. Aunque las leyes físicas siguen siendo simétricas, el estado elegido por el sistema ya no lo es.

Este comportamiento ofrece una analogía directa con lo que habría ocurrido con el campo de Higgs cuando el universo comenzó a enfriarse tras el Big Bang: por encima de cierta energía, el sistema mantiene un estado simétrico; al enfriarse, ese equilibrio se vuelve inestable y el campo adopta espontáneamente un valor concreto, dando masa a las partículas en el proceso.

_____________________

Referencia bibliográfica:

Garés, R., González, A., & Brihuega, I. (2026). Bifurcation and spontaneous symmetry breaking in a rotating pendulum: A classical analogy to the Higgs mechanism. European Journal of Physics, 47(3), 035004. https://doi.org/10.1088/1361-6404/ae6207

Más información:  UAM Gazette