¿Qué es
el bosón de Higgs? ¿Por qué ha tenido tanta repercusión su descubrimiento
experimental?
(Por
Víctor Martín Lozano)
Capítulo 47 de CIENCIA, y además lo entiendo!!!
El
día 4 de Julio de 2012 Fabiola Gianotti y Joe Incandela, portavoces de las colaboraciones
experimentales ATLAS y CMS respectivamente, anunciaron el descubrimiento de una
partícula que tenía todas las propiedades para ser el bosón de Higgs. Pero,
¿qué es el bosón de Higgs?
En los años 60 se empezó a formar un
modelo dentro del marco de la teoría cuántica de campos para explicar las
interacciones fundamentales de las partículas elementales. Dicho modelo es
conocido hoy en día como Modelo Estándar (ME) de las interacciones
fundamentales. Por aquel entonces no se sabía por qué ciertas partículas tenían
masa y otras permanecían sin ella. Para dar explicación a este hecho, los
físicos Peter Higgs, François Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Carl R.
Hagen y Tom Kibble formularon de manera independiente un mecanismo mediante el
cual solucionaban el problema de la masa. Dicho mecanismo se conoce como
mecanismo de Higgs y sería el responsable de otorgar masa a las partículas que
componen el ME. Asociado a este campo existiría una partícula que podría ser
detectada en aceleradores de partículas, hablamos por tanto del conocido como
bosón de Higgs. Una partícula con características muy similares a las de dicho
bosón es lo que fue encontrado en el CERN por las colaboraciones ATLAS y CMS.
1 Mecanismo de Higgs.
Debido a los avances en la física en
el siglo XX tanto a nivel teórico como a nivel experimental, los físicos de
partículas de aquel tiempo vivieron momentos muy emocionantes. Una plétora de
partículas y nuevas interacciones aparecieron en los resultados experimentales
y la necesidad de una explicación teórica se hizo fundamental para el
entendimiento de la Naturaleza. Tras arduo trabajo por parte de los científicos
de la época quedó claro que el modelo de partículas elementales seguía las
pautas asociadas a ciertas simetrías. Estas simetrías se asociaron a las
interacciones fundamentales que eran observadas entre las partículas. Todo ello
quedó enmarcado dentro de lo que hoy día se conoce como ME de las interacciones
fundamentales. Este modelo contiene seis leptones (entre los que se incluye el
bien conocido electrón) y seis quarks (los protones y neutrones son partículas
compuestas de quarks). Tanto quarks como leptones entran dentro de lo que
llamamos fermiones, que son las partículas que conforman la materia que
conocemos. El secreto del ME radica en clasificar todas estas partículas de
acuerdo a cómo se comportan con respecto a ciertas simetrías. Estas simetrías
están asociadas a las interacciones que existen entre las partículas, por tanto
si una partícula permanece invariante bajo una transformación de una
determinada simetría se debe a que no sentiría el efecto bajo esa interacción.
Dichas interacciones son la interacción fuerte, la débil y la electromagnética,
estas dos últimas relacionadas entre sí en una simetría mayor llamada
electrodébil. Todas ellas tendrían asociadas diferentes partículas, conocidas
como bosones mediadores, que serían las responsables de dichas interacciones.
El responsable de la fuerza fuerte es el gluon, una partícula sin masa y que
tendría 8 versiones diferentes. Los responsables de la fuerza débil son los
bosones cargados W± y el bosón neutro Z que tienen un peso de
aproximadamente de 80 y 90 veces la masa de un protón, mientras que el
responsable del electromagnetismo es el fotón, partícula también sin masa.
Sin embargo, no se explicaba desde la
formulación matemática de dichas interacciones la aparición de la masa de las
partículas. En los años 60 de manera totalmente independiente tres grupos de
investigación formados el primero por Robert Brout y François Englert, el
segundo por Peter Higgs y el tercero por Gerald Guralnik, Carl R. Hagen y Tom
Kibble, formularon un mecanismo a través del cual las partículas adquirirían
masa. Este mecanismo, conocido popularmente como mecanismo de Higgs, consiste en
un campo que permea todo el espacio, como ocurre con el campo electromagnético.
Así pues, todas las partículas en presencia de dicho campo sentirían una
fricción debido a su interacción con él. Cada partícula interaccionaría de una
manera diferente con este campo, es decir, sufriría diferente grado de
fricción. La masa de cada partícula, por tanto, correspondería a esta fricción
y la diferencia de masas entre las partículas dependería de la manera en la
cual interaccione con dicho campo.
Matemáticamente hablando, el mecanismo
de Higgs consiste en la formulación de un campo, el campo de Higgs, que de
manera espontánea rompería una de las simetrías del ME, la simetría
electrodébil, provocando así el hecho de originar masa a las partículas.
Anterior a dicha ruptura, los términos de masa de las partículas no respetaban
dicha simetría, por lo tanto solo cuando ésta está rota, las partículas pueden
adquirir masa.
2 El bosón de Higgs.
Una vez hablado del mecanismo de Higgs
podemos preguntarnos, ¿y el bosón de Higgs dónde aparece aquí? Pues bien,
asociado al campo de Higgs aparece una partícula escalar que es producida
cuando dicho campo se excita, esta partícula es la conocida como bosón de
Higgs. Al igual que las excitaciones del campo electromagnético dan lugar al
fotón, cualquier excitación producida en el campo de Higgs daría lugar al bosón
de Higgs. Matemáticamente si atendemos a la explicación anterior, el campo de
Higgs presenta cuatro grados de libertad. Una vez que rompe la simetría
electrodébil tres grados de libertad van a parar a los bosones Z, W+
y W- , por lo que quedaría un grado de libertad extra
correspondiente a lo que conocemos como bosón de Higgs. De esta peculiaridad se
dieron cuenta Brout, Englert y Higgs cuando formularon sus investigaciones
acerca del mecanismo de Higgs. Ésta es la razón por la que en 2013 la academia
sueca otorgase el premio Nobel de física a Peter Higgs y a François Englert
solamente (Brout había fallecido en 2011).
Una vez formulado el mecanismo de
Higgs, con la consecuente aparición del bosón de Higgs, el ME de las
interacciones fundamentales quedaba prácticamente resuelto. Desde ese momento
todos los esfuerzos tanto teóricos como experimentales se enfocaron en
descubrir a tan escurridiza partícula. Por la parte teórica las propiedades de
dicho bosón fueron estudiadas en relación a sus interacciones con las demás
partículas del ME. Debido a su formulación matemática, uno de los parámetros
físicos que definen el campo de Higgs permanece libre, por lo que en principio era
imposible predecir qué masa tendría el bosón asociado al campo. Esto suponía un
problema a la hora de buscar el bosón de Higgs en los experimentos, pues
cualquier rango de masa era posible. Sin embargo, era fácil poder calcular la
interacción de dicho bosón con las diferentes partículas elementales una vez
que la masa de éste era conocida, por lo tanto los físicos teóricos solo podían
dar resultados acerca del bosón en función de la masa de éste. A pesar de
parecer una situación poco halagüeña se pudo extraer información muy importante
acerca de sus propiedades. Una de las más importantes era que si el bosón de
Higgs era producido en un experimento automáticamente se desintegraría en
partículas del ME. La probabilidad de desintegración en las diferentes partículas
dependería como hemos dicho anteriormente de la masa del bosón, sin embargo,
una cosa estaba clara, para descubrirlo habría que mirar los productos de
desintegración de éste.
Es notable el hecho de que teorías que
van más allá del ME mantienen el mecanismo de Higgs presente para otorgar masa
a las partículas, tal y como ocurre por ejemplo en el caso de las teorías
supersimétricas. En dichos modelos, el bosón de Higgs puede diferir en las
propiedades con respecto a las que aparecen en el ME y muchos estudios se han
centrado en éstas. Por ejemplo, un gran adelanto que presentan las teorías
supersimétricas con respecto al ME es el hecho de que el rango de masas está
acotado de una manera más precisa.
Por la parte experimental la mayoría
de aceleradores de partículas se han dedicado a buscar el bosón de Higgs entre
otras muchas búsquedas. Los aceleradores LEP y Tevatron buscaron con ahínco
dicha partícula consiguiendo poner ciertas cotas al rango de masas donde poder
encontrarla. Por tanto, toda la expectación de su descubrimiento se centró en
el gran colisionador de hadrones (LHC) que se estaba construyendo en el CERN en
el que todos los físicos depositaron sus esperanzas para encontrar el bosón de
Higgs, la única partícula que faltaba del conocido ME.
3 El descubrimiento del bosón de Higgs.
El LHC es un gran acelerador de
partículas que colisiona protones para poder, mediante dichas colisiones,
estudiar las diversas interacciones que se dan en el ME. Entre dichas
interacciones los estudios teóricos preveían la presencia del bosón de Higgs y
tras dos años de recogida de datos a una energía en el centro de masas de 7 y 8
TeV (Teraelectronvoltios) [1], desde 2010 a 2012, los resultados acerca del
bosón de Higgs fueron expuestos por los portavoces de las dos colaboraciones
experimentales ATLAS y CMS que operan en el LHC. Una partícula que se asemeja
al bosón de Higgs fue descubierta con una masa de 125 GeV (aproximadamente 125
veces la masa de un protón). Dicho descubrimiento se realizó a través de los
canales de desintegración del bosón de Higgs en partículas del ME como fue
predicho por los físicos teóricos. El LHC, dado que es un colisionador de
protones, produce una gran cantidad de gluones que serían los principales
responsables de producir el bosón de Higgs. Una vez producido como hemos visto
anteriormente éste se desintegraría en partículas del ME. En particular fue
observado en tres canales, desintegración en dos fotones, en dos bosones Z y en
dos bosones W. Dichos modos de desintegración se habían detectado con unas
condiciones estadísticas adecuadas que nos asegurasen un descubrimiento [2].
Además el estudio de los diferentes canales de desintegración, no solo aquellos
que involucraban fotones, y bosones W y Z, coincidía con bastante exactitud a
lo predicho por el ME para dicha masa.
La repercusión mediática fue muy
importante, medios de todo el planeta, y en todas las plataformas de
información dieron buena cuenta de ello y la noticia acerca de su
descubrimiento dio la vuelta al mundo en poco tiempo. Al año siguiente de este
gran acontecimiento, en el 2013, se les concedió el premio Nobel a Peter Higgs
y François Englert por su predicción teórica acerca de esta partícula.
La partícula que cerraba el círculo
del ME se había descubierto. Por fin, dicho modelo se había completado y la
última pieza del puzle encajaba perfectamente con todo lo anterior. Sin
embargo, diversas observaciones experimentales y resultados teóricos nos hacen
pensar a los físicos que debe haber física más allá del ME y que probablemente
el bosón de Higgs pueda estar relacionado con dichos fenómenos. Así pues, el
descubrimiento del bosón de Higgs ha dado un vuelco a la física de partículas y
abre nuevas puertas a las investigaciones tanto teóricas como experimentales para
estudiar las implicaciones que tendría esta partícula en nuevos modelos.
Notas:
[1] El electronvoltio (eV) es una unidad de
energía. En física de partículas energía y masa están relacionadas mediante la
ecuación E=mc2 y por tanto el eV es usado como unidad de masa. Por
ejemplo, un electrón tiene una masa de 500 .000 eV=0,5 MeV y un protón
aproximadamente 1.000.000.000 eV=1 GeV.
Un teraelectronvoltio (TeV) equivale a 1.000.000.000.000 eV.
[2] En física de partículas uno puede decir
que existe un descubrimiento cuando tiene una estadística suficiente para poder
estar seguro con una probabilidad del 99,99994%, lo que se conoce como 5 sigmas
y que equivale a equivocarse en una sobre 3.500.000.
Víctor
Martín Lozano
Doctor en Física.
Investigador Postdoctoral en
la Universidad de Bonn y en el Centro Bethe de Física Teórica.
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