El triunfo de Higgs abre un área de sueños
Los campos de Higgs son una parte fundamental de la física moderna. Penetran el espacio e interactúan con las partículas que los atraviesan, de la misma forma que un campo magnético hace que se alineen limaduras de hierro.
Los físicos Francois Englert y Peter Higgs responden a los periodistas sobre los avances de las investigaciones. (AP)
Por Geoff Brumfiel - Nature News
Muchos físicos de aquí pasaron la noche acurrucados en la sala para asegurarse un valioso asiento. A las 8 a.m., la brigada de bomberos rechazaba científicos con ojos desvelados que habían hecho cola durante horas. Los pocos afortunados que pudieron entrar a la sala de conferencias del CERN, el laboratorio de física de partículas de Europa, situado cerca de Ginebra, Suiza, atestiguaron el final de una búsqueda épica de la física de alta energía y el inicio de una nueva campaña.
Con el anuncio del 4 de julio de que habían encontrado el bosón de Higgs, los físicos develaron la pieza final del modelo estándar de la física de partículas: un marco teórico que describe con gran precisión todas las partículas y fuerzas fundamentales con excepción de la gravedad.
Descubrir el bosón de Higgs había sido catalogado como el objetivo principal del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), un colisionador tubular de protones de 27 kilómetros de largo y un costo de 6.000 millones de dólares que, junto con sus cuatro detectores hermanos tamaño edificio, requirió décadas de trabajo de miles de físicos.
El descubrimiento ha dado a la máquina una nueva misión: identificar las propiedades del bosón de Higgs. Los investigadores también escudriñarán los datos en búsqueda de indicios de algo que vaya más allá del modelo estándar: una teoría aún más completa que podría llevar a los físicos a un entendimiento unificado del Universo.
El mayor descubrimiento de la última generación en el área de física de partículas apenas pareció una modesta protuberancia en un trazo suavemente inclinado. No obstante, generó un estallido de aplausos conforme los dos principales grupos experimentales que buscaban la partícula, pasaban sus datos en la pantalla la semana pasada. La protuberancia era la clara señal de una partícula de Higgs de una masa de alrededor de 125 gigaelectrovoltios (la masa y la energía se usan alternativamente en la física de partículas).
Los grupos detectores Atlas y Solenoide Compacto Muon (CMS, por sus siglas en inglés) informaron que la significancia de su señal era de alrededor de cinco desviaciones estándar, lo que significa que si la partícula de Higgs no existiera, habría una probabilidad de menos de una en un millón de obtener estos datos aleatoriamente.
El propio teórico Peter Higgs, de 83 años, estuvo presente en el anuncio, así como tres de los demás físicos que predijeron el bosón por primera vez en 1964: Gerald Guralnik, François Englert y Carl Hagen. "Realmente es una cosa increíble que me ha pasado en la vida", dijo Higgs a la multitud ahogando lágrimas.
El bosón de Higgs es una expresión del campo de Higgs, el mecanismo finalmente responsable de la masa de las partículas conocidas.
La evidencia a favor del bosón de Higgs había estado creciendo durante décadas, dice Tom Kibble, un físico jubilado del Colegio Imperial de Londres que, además, fue otro de los teóricos responsables de la predicción original.
El bosón y el campo se necesitan en los cálculos para unificar las fuerzas electromagnéticas y las fuerzas nucleares débiles en una sola fuerza "electrodébil", que a su vez predice las propiedades de otras partículas. Esas predicciones han coincidido con las mediciones con alta precisión, dice. Sin embargo, según Kibble, "hay varias cosas que desconocemos que tienen que ser confirmadas".
El número clave es el giro de la partícula, una propiedad definitoria de mecánica cuántica. Según la teoría, el giro del bosón de Higgs debe ser cero. De lo contrario, señala Kibble, la masa de las partículas fundamentales podría cambiar según su orientación en el espacio. "El giro cero es clave", precisa. Si la partícula resulta tener un giro distinto a cero, sería un descubrimiento impactante y significaría que la partícula sería otra cosa en lugar de la de Higgs.
¿Qué es la partícula de Higgs?
El bosón de Higgs ha estado acaparando titulares, pero el verdadero premio es el correspondiente campo de Higgs. Estos campos son una parte fundamental de la física moderna; penetran el espacio e interactúan con las partículas que los atraviesan de la misma forma que un campo magnético hace que se alineen limaduras de hierro.
En comparación con los campos electromagnéticos y otros, empero, el campo de Higgs es "ligeramente raro", admite Tom Kibble, uno de los seis físicos teóricos que invocaron por primera vez el mecanismo en 1964. El campo es ubicuo y sin dirección, muy parecido a la temperatura constante del aire en cada parte de una cueva tranquila y silenciosa. Las partículas que interactúan con el campo de Higgs ganan masa -entre más interactúen con éste, más pesadas se vuelven-.
Kibble, Peter Higgs y otros propusieron la existencia del campo para resolver uno de los problemas de la física más difíciles del día. A principios de la década de 1960, los teóricos sabían que dos de las cuatro fuerzas fundamentales que gobiernan el comportamiento de las partículas eran casi idénticas matemáticamente. La principal diferencia entre ellas era que las partículas asociadas con una fuerza tenían masa, mientras que las asociadas con la otra no tenían.
El campo de Higgs explicaba la separación. Al principio del Universo, según dice la teoría, el campo de Higgs era cero y ambas fuerzas eran como una. Pero poco después del Big Bang, el campo asumió un valor distinto a cero y las fuerzas se separaron. Una, que se convirtió en el electromagnetismo, es mediado por partículas sin masa de luz llamadas bosones W y Z. Éstas interactúan con el campo de Higgs y ganan masa. La materia ordinaria deriva gran parte de su masa de interacciones subsecuentes entre partículas como quarks, que se encuentran en el núcleo de los átomos.
El propio bosón de Higgs puede verse como una onda excitada en el campo de Higgs. Estudiar las propiedades del bosón en el LHC dirá a los teóricos si el campo se comporta como esperan.
Los últimos resultados del LHC revelan suficiente información sobre cómo se descompone la partícula como para indicar que tiene un giro de cero o dos. Estudios adicionales sobre la dirección en que parten del LHC los productos descompuestos de la partícula identificarán el giro, dice Joe Incandela, vocero del detector CMS. Incandela espera tener una respuesta a finales de año. Steve Myers, quien supervisa la operación del LHC, dice que la tanda de 2012 del colisionador se extenderá tres meses para que los experimentos puedan recabar más datos.
Principalmente, la nueva partícula se adecua a las predicciones del modelo estándar sobre cómo debería descomponerse en otras partículas. Pero hay indicios fascinantes en el sentido de que esta partícula de Higgs tal vez no tenga un carácter enteramente estándar. Por un lado, parece descomponerse en pares de fotones con una frecuencia casi dos veces mayor que lo pronosticado por el modelo estándar y se descompone con menos frecuencia de lo esperado en partículas conocidas como bosones taus y W.
Tales discrepancias en este momento están lejos de ser estadísticamente significativas, pero si crece la evidencia conforme se recopilen más datos, podría indicar una física más allá del modelo estándar.
Por ejemplo, podría ser que el bosón detectado de hecho sea un compuesto, integrado por partículas más pequeñas, o que sea el primero de una nueva clase de bosones ?una "familia de Higgs".
"Estaría encantada si este nuevo estado es un bosón de Higgs, pero tal vez no sea el bosón de Higgs del modelo estándar", dijo Fabiola Gianotti, vocera de Atlas, en una conferencia de prensa luego de la presentación de los resultados. Incandela piensa que para finales de año los experimentos deberían tener fuertes indicios sobre si el Higgs coincide completamente con las predicciones del modelo estándar.
Incluso si el Higgs se comporta como se espera, su masa es un rompecabezas. Según los cálculos del modelo estándar, el Higgs debería ser bastante pesado e inestable a menos que se aplique una corrección grande e improbable a las ecuaciones. Una teoría conocida como supersimetría, aceptada por muchos físicos, predice un Higgs más ligero, dice Matthew Strassler, físico teórico de la Universidad Rutgers, en Piscataway, Nueva Jersey. Pero hasta el momento no han aparecido señales de supersimetría dentro del LHC. Además, la masa de 125 GeV en los datos informados es demasiado pesada para los modelos supersimétricos más simples.
Conforme el colisionador sigue destrozando protones por debajo de las montañas de Suiza y Francia, los físicos esperan que de los terabytes de datos emerjan indicios sobre las respuestas. "Estamos sondeando algo que nuestras teorías no pueden manejar", dice Incandela. "Lo fantástico de tener la partícula es que ahora tenemos la fuente del problema en nuestro laboratorio", agrega.