Nuestro modelo de la
física de partículas, llamado Modelo Estándar (ME), ha resultado ser extremadamente
preciso explicando el mundo que nos rodea. Este modelo nos proporciona el marco
teórico para explicar las partículas fundamentales que componen el puzle de la
materia, ¡incluidos nosotros mismos!, y como interaccionan entre sí, además
este modelo tiene capacidad predictiva ampliamente demostrada
experimentalmente. En esta ‘tabla periódica’ de partículas nos encontramos
aquellas que componen la materia ordinaria (leptones y quarks) y aquellas
responsables de que interaccionen entre sí, los bosones.
Sin embargo, para una de las posibles
interacciones entre las partículas, la conocida como interacción débil, este
modelo postula la existencia de bosones responsables de la interacción, los
bosones W+, W- y Z, pero les asigna una masa nula. Sin
embargo, sabemos que la masa de dichos bosones es casi 100 veces superior a la
de un protón. La pregunta pronto surgió, ¿cuál
es el mecanismo por el cuál las partículas fundamentales adquieren masa?
¿Alguna idea?
Tenemos que regresar
al año 1964, cuando tres físicos teóricos, desde distintos puntos del planeta
se afanaban en dar una explicación a este dilema: Peter Higgs desde la
Universidad de Edimburgo y François Englert y Robert Brout desde la Universidad
de Bruselas. Y… eureka! Sendos artículos, dando una explicación teórica a este
fenómeno, se publicaron en revistas internacionales de física. El mecanismo
desarrollado implicaba la necesidad de un nuevo campo físico (podéis pensar en
un campo análogo al campo electromagnético) y un bosón asociado a dicho campo
(así como el fotón es el bosón del campo electromagnético). Dicho bosón aparece
mencionado por primera vez en la publicación de Peter Higgs, de ahí que se
conozca como el bosón de Higgs, pero para hacer justicia al trabajo de los tres
físicos teóricos, muchas veces lo llamamos bosón BEH (Brout-Englert-Higgs).
¿Y ahora qué hacemos
con esta teoría? Pues probarla experimentalmente y confirmar si es correcta o
no. ¿Cómo podemos hacer esto? En la
época de los años 60, ya se realizaba física de partículas experimental
utilizando colisionadores de partículas. En estos experimentos, podemos crear
nuevas partículas, siempre que la energía disponible en cada colisión sea suficientemente
grande, siguiendo la famosa ecuación de Albert Einstein, E=mc2, que relaciona energía y masa. De esta manera, si
el bosón de Higgs existe, podemos tratar de crearlo en un colisionador de
partículas y medir sus propiedades. Sin embargo, la teoría desarrollada no
predecía un valor para la masa de dicho bosón, y por lo tanto la energía
necesaria para producirlo era algo totalmente desconocido. Es aquí donde
comienza la ‘caza’ de este bosón. En una de las primeras búsquedas, que se
llevó a cabo en los años 80 en el colisionador DORIS del laboratorio DESY, en
Alemania, se observó una pequeña señal que revolucionó a toda la comunidad,
pero nunca llegó a confirmarse por otros experimentos que estaban en
funcionamiento en la misma época.
Aceleradores más recientes, como el acelerador LEP (Large Electron Positron)
del CERN (Centro Europeo para la Investigación de la Física de Partículas), en
funcionamiento hasta el año 2000, o el Tevatron del laboratorio Fermilab
(EEUU), en funcionamiento hasta el año 2011, establecieron límites bastante
estrictos al rango de masas donde se podía buscar el bosón.
Su búsqueda continuó
hasta su descubrimiento, anunciado el 4 de julio de 2012, por los experimentos
CMS y ATLAS del acelerador LHC (Large Hadron Collider) del CERN. ¡Casi 50 años
de búsqueda de este esquivo bosón!
El descubrimiento de
esta partícula ha sido un triunfo para el campo de la física de partículas. Se
ha cerrado una etapa en la que se ha logrado completar el ME y ha permitido
abrir nuevos portales hacia una nueva física que va más allá del ME, como la
conexión con la materia oscura.
Después del
descubrimiento, en el año 2013, los físicos Peter Higgs y François Englert
recibieron el Premio Nobel en Física ¨por
el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestra comprensión
del origen de la masa de las partículas subatómicas, y que recientemente fue confirmado
mediante el descubrimiento de la partícula fundamental predicha, por los
experimentos ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN¨. El
CERN y las colaboraciones que habían descubierto el bosón de Higgs fueron
solamente mencionadas, y no recibieron el premio. Sin embargo, ese mismo año,
tanto los dos físicos teóricos como el CERN, recibieron el premio Príncipe de
Asturias en Investigación Científica y Técnica.
Diversos grupos
españoles han formado parte de los equipos de investigación del CERN que
descubrieron el bosón de Higgs. Entre ellos, el grupo de Física de Partículas e
Instrumentación del Instituto de Física de Cantabria (IFCA). El grupo del IFCA,
liderado entonces por la Dra. Teresa Rodrigo (gran persona e investigadora si
me permiten este pequeño paréntesis), forma parte del equipo que descubrió el
bosón de Higgs, en uno de los canales de desintegración a dos bosones W.
Lamentablemente Teresa nos dejó hace ya 2 años y seguimos echándola de menos,
tanto profesionalmente como personalmente.
¿Y qué hacemos ahora
10 años después? En julio del presente año, comenzará la tercera fase de
funcionamiento del LHC, en la que se alcanzará una energía nunca antes lograda
por ningún experimento previo, y aumentará la cantidad de datos a estudiar con
respecto a las fases anteriores. Con todo ello, esperamos producir varios
millones de bosones de Higgs en los próximos 3-4 años. Esto nos va a permitir,
por un lado, comprobar la física del bosón de Higgs a una nueva energía, y por
otro continuar el estudio de sus propiedades con mucha mayor precisión. Además,
seguiremos entendiendo un poco más este bosón y se intentará
responder preguntas tales como: ¿es un bosón
fundamental o podría tener una estructura interna?, ¿es el único bosón de Higgs
existente?, ¿podría ser un portal que conecte la materia ordinaria con la
materia oscura?
Tenemos muchos retos
por delante y mucho que conocer aún sobre el casi recién descubierto bosón.
¡Bienvenido Mr. bosón de Higgs!
Investigadora y Profesora en el Instituto de Física de Cantabria (IFCA), centro mixto de la Universidad de Cantabria y CSIC.
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