Confirmado: el CERN descubre el bosón de Higgs

Posible desintegración de un bosón de Higgs en dos fotones observado en el CMS (CERN/CMS)

Por fin llegó el día que tanto estábamos esperando. El 4 de julio de 2012 forma parte ya de la historia de la ciencia. Este día será recordado por todos los que asistieron al seminario celebrado en la sede del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) en Ginebra, y por los miles de científicos y amantes de la ciencia que lo siguieron en directo por Internet. Fue el día en que los portavoces de los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), Fabiola Gianotti y Joe Incandela, anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula con una masa de entre 125 y 126 GeV, compatible con el ansiado bosón de Higgs.

El hallazgo ha alcanzado un nivel de confianza estadística de 4,9 sigmas en CMS y 5,0 sigmas en ATLAS, lo que supone que apenas existe una posibilidad entre más de 3.000.000 de que todo esto sea fruto de un capricho estadístico.

El público, entregado (CERN)

Ha sido una conferencia emocionante e inolvidable. El público, que abarrotaba el auditorio desde horas antes, ha irrumpido en aplausos cuando los portavoces de ambos experimentos, visiblemente nerviosos, han presentado sus conclusiones. Entre la audiencia estaba Peter Higgs, el físico inglés que predijo la existencia de la partícula que lleva su nombre, quien apenas ha podido contener las lágrimas. Y Rolf Heuer, el director del CERN, se ha permitido cerrar la charla con una de esas frases que pasará a la historia: «I think we have it».

En otras palabras: ¡habemus bosón de Higgs!

El campo de Higgs

El bosón de Higgs era la pieza que faltaba para completar el modelo estándar de la física de partículas, la teoría que mejor describe el comportamiento de las partículas elementales y sus interacciones. Sin ella, el modelo estándar no puede explicar algo tan básico como la masa de estas partículas elementales y las enormes diferencias de unas respecto a las otras. Para que te hagas una idea, el quark cima pesa unas 350.000 veces más que el electrón, lo que puede ser comparable a la diferencia que hay entre un elefante y un ratón.

Según propuso Peter Higgs en 1964, todo el Universo estaría impregnado de un misterioso campo que no podemos ver y que hoy conocemos como campo de Higgs. Este campo tendría asociado una partícula, el famoso bosón de Higgs, que interaccionaría con las partículas elementales, dándoles su masa. Algunas interaccionarían poco con el campo de Higgs y lo atravesarían sin dificultad; estas partículas tendrían poca masa, como el electrón. Otras, en cambio, les costaría mucho más moverse en el campo de Higgs; eso es lo que le ocurriría, por ejemplo, al quark cima, la partícula elemental más pesada. Las partículas sin masa, como el fotón, no sentirían absolutamente nada. En definitiva, la masa de una partícula elemental dependería de su mucha o poca resistencia a moverse en el campo de Higgs. 

La partícula más buscada

El anuncio de los resultados obtenidos por los experimentos ATLAS y CMS supone la culminación de un esfuerzo colectivo sin precedentes que ha durado casi medio siglo y en el que han intervenido miles de investigadores de más de treinta países.

El Fermilab, visto desde el aire

¿Por qué ha sido tan difícil encontrar el bosón de Higgs? Básicamente, por un motivo. Y es que el modelo estándar es incapaz de predecir su masa exacta, lo que implica que los científicos han tenido que buscar el bosón de Higgs “a ciegas”, para lo que se han tenido que construir enormes aceleradores de partículas, como el Tevatrón del Fermilab o el propio LHC, la máquina más compleja que ha construido el hombre, que han ido barriendo todos los posibles valores de energía. Además, una vez que se ha producido, el bosón de Higgs decae en otras partículas muy rápidamente, sin que tengamos tiempo de observarlo.

La tarea de buscar una partícula cuya masa se desconoce y que no deja rastros directos es muy laboriosa. Se empieza fijando un valor posible para la masa del bosón de Higgs y calculando teóricamente sus distintos canales de desintegración, esto es, las combinaciones de partículas en las que puede decaer el bosón de Higgs. Luego hay que analizar los datos obtenidos de las colisiones en los aceleradores en busca de esas partículas, posibles «residuos» del bosón de Higgs. Si los resultados concuerdan con los valores teóricos en ausencia del bosón de Higgs, entonces se excluye su presencia para esa energía. En cambio, si se observa un exceso de esas partículas, sería una señal de la existencia de un bosón de Higgs con dicha masa.

Resultado del CMS para el canal de desintegración de dos fotones. La pequeña prominencia en la curva es el bosón de Higss, a unos 125 GeV (CERN/CMS)

Así es cómo los científicos han conseguido, poco a poco, acorralar al bosón de Higgs en torno a los 125-126 GeV. Es decir, no sólo han logrado descartar su presencia en el resto de rangos de energía, sino que además han encontrado evidencias del bosón de Higgs para esa masa en dos canales de desintegración; en concreto la desintegración en dos fotones (ver imagen superior) y la desintegración en dos bosones Z, que a su vez se desintegran en cuatro leptones cargados. (Estos dos canales de desintegración son más fáciles de detectar en el LHC debido a las características de los detectores ATLAS y CMS.) Pero resulta que estos dos procesos son muy poco habituales: el primero sólo ocurre el 0,2% de las veces, mientras que el otro sucede el 0,01%. Como es una cuestión de probabilidad, aquí es donde entra en juego la estadística y ese término que hemos nombrado al principio, sigma.

Un proceso estadístico

Imagínate que lanzas una moneda diez veces y obtienes siete caras. En teoría, cara y cruz tienen la misma probabilidad de salir, por lo que deberías haber obtenido sólo cinco caras. Pero como el número de repeticiones ha sido muy pequeño, no puedes saber si ha sido casualidad –fluctuaciones estadísticas- o bien hay algo más. Sin embargo, si tiras la moneda 100.000 veces y sacas 70.000 caras, puedes descartar las fluctuaciones estadísticas y pensar que hay algo de la teoría que no encaja. (Seguramente la moneda sea irregular y eso haga que caiga con más frecuencia de una manera.) Así que cuantos más datos acumulemos, resulta más difícil que ese “algo nuevo” sea culpa de las fluctuaciones estadísticas. Esta certeza se expresa mediante la variable estadística sigma, y viene a decir que cuanto mayor sea sigma, más confianza nos dan los resultados.

En física de partículas, un resultado de tres sigmas es síntoma de una señal prometedora. Cuatro sigmas se consideran una señal de un descubrimiento muy probable. Y un descubrimiento científico requiere al menos llegar a la cota de las cinco sigmas. Como los resultados de los experimentos ATLAS y el CMS arrojan una confianza estadística de 5 sigmas, el CERN ha podido anunciar el descubrimiento oficial del bosón de Higgs.

Otro de los momentos del día. La combinación del canal difotónico con el canal ZZ en el CMS da como resultado una significación estadística ¡de 5 sigmas! Maravilloso (CERN/CMS)

Mirando al futuro

Ahora bien, ¿es la partícula descubierta en el LHC el mismo bosón de Higgs del modelo estándar? Todavía es demasiado pronto para contestar a esta pregunta. Primero habrá que estudiar su comportamiento en profundidad y medir sus propiedades con precisión. A día de hoy lo único que sabemos es su masa, 125-126 GeV, y que dos de los canales de desintegración encajan con los que predice el modelo estándar. Habrá que determinar cuál es la intensidad de su interacción con el resto de partículas, sobre todo los fermiones, y estudiar el resto de canales de desintegración disponibles. En definitiva, confirmar si se comporta tal y como predice el modelo estándar. Cualquier pequeña desviación de lo esperado abriría el camino a una nueva física más allá del modelo estándar. Sin ir más lejos, la supersimetría predice hasta cinco bosones de Higgs, dos de los cuales podrían adecuarse a esta señal en diferentes escenarios. Para salir de dudas necesitamos producir bosones de Higgs de forma cotidiana, y no unos pocos como hasta ahora. Seguramente se requieran años para conseguirlo.

El descubrimiento del bosón de Higgs supone el final de un capítulo apasionante de la física de partículas y el principio de otro que promete ser igual de apasionante, si no más.

Daniel Martín Reina

P.D. I – Muchas gracias a Mario Herrero por revisar la entrada. Te debo una, colega.

P.D. II – Hay que decirle a Rubén Lijó que vaya preparando una actualización de su fantástico cortometraje sobre el bosón de Higgs, 😉

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Daniel Martín Reina

Licenciado en Física. Divulgador científico.