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Especial Higss

¡Un nuevo bosón en la familia! - Alicia Calderón Tazón
Lunes, 4 de Julio de 2022









Un día como hoy hace 10 años (4 de Julio de 2012), fue anunciado el descubrimiento de un nuevo bosón en la familia de las partículas fundamentales, conocido como bosón de Higgs. Cuando hablamos de partículas fundamentales, nos estamos refiriendo a los componentes más fundamentales de la materia conocida que, a día de hoy, no se sabe que tengan estructura interna.

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.


Fig.1 Representación gráfica del Modelo Estándar de la física de partículas. A la izquierda nos encontramos las tres familias de quarks y leptones y a la derecha los bosones responsables de las fuerzas fundamentales.
©CERN OPEN-PHO-CHART-2015-001-1


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).


Fig.2 En la imagen de la izquierda encontramos a François Englert y Peter Higgs, el 4 de julio de 2012 en el CERN (© CERN-HI-1207136-101). A la derecha una imagen de Robert Brout, fallecido un año antes.


¿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.


Fig.3 Imagen del túnel de LHC donde se pueden ver los imanes de aceleración.
©CERNCERN-AC-0807027-02


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!


Fig.4 Imagen de los experimentos CMS (izquierda ©CERNCERN-PHOTO-202108-102-2) y ATLAS (derecha ©CERNCERN-EX-0511013-01).


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.


Fig.5 Portada de las publicaciones científicas sobre el descubrimiento del bosón de Higgs en las revistas internacionales Science (Vol. 338, Issue 6114) and Physics Letter B (Vol. 716, Issue 1).


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.


Fig.6 La Dra. Teresa Rodrigo Anoro en la sala de control del experimento CMS, cuando fue nombrada presidenta del Consejo de Colaboración Internacional de dicha colaboración. También formó parte del gobierno de política científica del CERN.


¿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?


Fig.7 Imagen de la entrada al CERN recientemente renovado con la ‘Esplanade des Particule’ y el ‘CERN Globe’ al fondo. ©CERN OPEN-PHO-VIEW-2017-001-5


Tenemos muchos retos por delante y mucho que conocer aún sobre el casi recién descubierto bosón.

¡Bienvenido Mr. bosón de Higgs!

 

Alicia Calderón Tazón.

Investigadora y Profesora en el Instituto de Física de Cantabria (IFCA), centro mixto de la Universidad de Cantabria y CSIC.

 

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