El bosón de Higgs, más cerca

El bosón de Higgs tiene cada vez menos sitio donde esconderse e incluso podría haberse atisbado ya el primer indicio de su existencia. Pero todavía es pronto para anunciar su descubrimiento. Éstas son las principales conclusiones del seminario del CERN del pasado martes 13 de diciembre, en el que se presentaron los nuevos resultados de ATLAS y CMS, los dos experimentos que se encargan de la búsqueda del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, de sus siglas en inglés).

En un auditorio abarrotado y en medio de una enorme expectativa a nivel mundial (el seminario se retransmitió en directo por Internet), los físicos de ambos experimentos han limitado la existencia del bosón de Higgs al rango de masas entre 115 GeV y 130 GeV (el electronvoltio es una unidad de energía que se usa en física de partículas para referirse a masas muy pequeñas; la masa del protón, por ejemplo, es de 1 GeV). Y lo que es más importante, han encontrado varias señales independientes que apuntan a un bosón de Higgs con una masa de entre 124 GeV y 126 GeV. No se trata de ninguna conclusión definitiva, pues los científicos necesitan más datos para poder confirmar o desmentir la existencia del esquivo bosón de Higgs. Pero todo apunta a que el desenlace está cada vez más cerca.

El modelo estándar y la masa

El bosón de Higgs es la pieza que le falta al modelo estándar de la física, la teoría que describe el comportamiento de las partículas elementales –los componentes más pequeños y fundamentales del Universo- y sus interacciones. Aunque de momento ha funcionado muy bien, hay una cosa que el modelo estándar no explica: el valor de las masas de esas partículas elementales. Sabemos, por ejemplo, que la masa del electrón vale 9,10938291·10^-31kg, ya que la hemos medido experimentalmente. Pero ¿por qué toma este valor en concreto y no otro? ¿Cómo adquieren las partículas elementales su masa? Se trata de una cuestión muy importante, puesto que muchas de las propiedades del Universo tal y como lo conocemos dependen de la masa de las partículas elementales.

En 1964, el físico inglés Peter Higgs propuso la existencia de un campo de energía que impregnaría todo el Universo y que hoy se conoce como campo de Higgs en su honor. Según Higgs, este campo interaccionaría con las partículas elementales y les daría su masa. Algunas partículas apenas interaccionarían con el campo de Higgs y lo atravesarían sin dificultad; serían partículas ligeras, como el electrón. A otras, en cambio, les costaría mucho más moverse en el campo de Higgs; eso es lo que le ocurriría, por ejemplo, al quark top, la partícula elemental más pesada. En definitiva, la masa de una partícula elemental dependería de su mucha o poca resistencia a moverse en el campo de Higgs. 

En caso de existir, el campo de Higgs debe tener una partícula asociada, el bosón de Higgs. Esto quiere decir que si pudiésemos ver en detalle el campo de Higgs, comprobaríamos que no es continuo, sino que estaría formado por una infinidad de estas partículas. El bosón de Higgs sería la porción más pequeña del campo de Higgs -igual que el fotón lo es del campo electromagnético- y sería la encargada de interaccionar con las partículas elementales, dotándoles de masa.

Todo esto no son más que hipótesis porque, a fecha de hoy, el bosón de Higgs es la única partícula predicha por el modelo estándar que todavía no se ha descubierto.

Una aguja en cien mil pajares

Encontrar el bosón de Higgs es uno de los grandes objetivos del LHC, el acelerador de partículas más poderoso que ha construido el hombre. En un enorme anillo de 27 kilómetros de largo, se aceleran protones a velocidades muy próximas a las de la luz y se lanzan en sentidos opuestos para que choquen frontalmente entre sí. Cuando se producen las colisiones, se libera una enorme cantidad de energía que genera otras partículas, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E=mc². Los detectores se encargan de registrar todo lo que ocurre en estas colisiones para que los expertos lo analicen más tarde.

¿Cómo se puede detectar la presencia de una partícula que, en el caso de que exista, se desconoce la masa que tiene? Aunque no se sabe cómo se comporta realmente, los físicos sí conocen muy bien cómo debería comportarse teóricamente de acuerdo con el modelo estándar. Es decir, saben la forma en que interaccionaría con el resto de partículas en función de su masa.

El principal obstáculo es que el bosón de Higgs es muy escurridizo. No se puede detectar directamente, puesto que es muy inestable y se desintegra en otras partículas elementales en menos de una billonésima de billonésima de segundo. Y además, las huellas de su efímera existencia son muy difíciles de seguir, ya que se diluyen en el mar de partículas que se producen en las colisiones.

Por ejemplo, uno de los posibles canales de desintegración del bosón de Higgs es en forma de dos fotones. Pero resulta que no es la única partícula que se puede desintegrar de esta manera. Si se detectan dos fotones en las colisiones, no se sabe si han sido producidos por un bosón de Higgs o por otra partícula distinta. El físico del CERN John Ellis lo expresó diciendo que encontrar el bosón de Higgs es como encontrar una aguja en cien mil pajares.

Lo que hacen los científicos es lo siguiente. Para empezar, fijan un valor posible para la masa del bosón de Higgs y calculan teóricamente las combinaciones de partículas en las que puede decaer. Luego rastrean la descomunal cantidad de datos acumulados de las colisiones en busca de esas partículas. (Sólo en 2011 se han producido cuatrocientos trillones de colisiones en el LHC.) Se trata de un enorme esfuerzo en el que los expertos trabajan conjuntamente con más de mil ordenadores. Si los resultados concuerdan con los valores teóricos en ausencia del bosón de Higgs, entonces pueden excluir 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.

Esto es justo lo que han encontrado los experimentos del CERN. En concreto, ATLAS detectó una señal “sospechosa” en torno a 126 GeV, mientras que CMS lo hizo a 124 GeV. Además, esta anomalía se encontró en varios canales de desintegración diferentes, es decir, en distintas combinaciones de partículas en las que el bosón de Higgs puede decaer.

Ahora bien, tanto los cálculos teóricos como las observaciones experimentales tienen cierta incertidumbre que hay que tener en cuenta; cuanto menor sea la incertidumbre, más confianza se tiene en los resultados. Y eso se consigue, básicamente, repitiendo el experimento muchas veces. Con los datos que tienen actualmente, todavía no se puede descartar que esa anomalía se trate simplemente de una fluctuación estadística. Sería algo parecido a coger un dado y que saliera un seis en diez tiradas seguidas: muy poco probable pero no imposible. Por eso los científicos del CERN son cautos y no se cansan de repetir que necesitan más datos para poder anunciar el que sería el descubrimiento científico más importante en décadas.  

El futuro

Si el bosón de Higgs existe, sería la confirmación definitiva de la validez del modelo estándar y el comienzo de una nueva etapa: la búsqueda de una física más allá del modelo estándar. Aunque hemos dicho que este modelo funciona muy bien, no puede ser la teoría definitiva que explique todo lo que ocurre en el Universo. De las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza (gravitatoria, electromagnética, fuerte y débil), no incluye a la gravedad. Y la materia ordinaria que describe el modelo estándar apenas supone un 5% del total del Universo. De la llamada materia oscura, por ejemplo, no dice nada. Por el contrario, si el bosón de Higgs no existe, habría que buscar otro mecanismo que explique por qué las partículas elementales tienen masa e intentar confirmarlo mediante nuevos experimentos. Cualquiera de las dos opciones es excitante.

Ahora mismo hay una parada técnica del LHC que los expertos aprovecharán para analizar en profundidad los datos de 2011. En abril de 2012 se pondrá en marcha de nuevo y se espera que alcance una mayor energía y frecuencia en las colisiones. Los próximos meses serán decisivos: antes de que termine 2012 sabremos con seguridad si por fin hemos cazado el bosón de Higgs o lo hemos perdido para siempre.

Y como colofón, os dejo el siguiente vídeo extraído del estupendo documental Del Mito a la Razón, de Rubén Lijó, en el que se explica de una manera muy clara y sencilla qué es el bosón de Higgs y su búsqueda en el LHC, con entrevistas a los propios investigadores. Espero que lo disfrutéis.

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=VCKd4rZUZto]

Daniel Martín Reina

Daniel Martín Reina

Licenciado en Física. Divulgador científico.