La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) acaba de
escribir un capítulo crucial en la historia de la Física, al descubrir
una nueva partícula subatómica que confirma con más de un 99% de
probabilidad la existencia del bosón de Higgs, conocido popularmente
como la ‘partícula de Dios’, un hallazgo fundamental para explicar por
qué existe la materia tal y como la conocemos.
Con los resultados presentados hoy, la existencia del bosón de Higgs
-la partícula subatómica teorizada por el físico británico Peter Higgs
en los años sesenta, y que supone el único ingrediente del Modelo
Estándar de la Física que aún no se había demostrado experimentalmente-
es prácticamente un hecho.
Si no fuera por el bosón de Higgs, las partículas fundamentales de
las que se compone todo, desde un grano de arena hasta las personas, los
planetas y las galaxias, viajarían por el Cosmos a la velocidad de la
luz, y el Universo no se habría ‘coagulado’ para formar materia. Por ese
motivo, el editor del físico Leon Lederman creyó oportuno cambiar el
título de su libro llamado originalmente ‘The goddamn particle’ (‘La
puñetera partícula’) por el de ‘The God particle’ (La ‘partícula Dios’,
aunque popularmente se ha traducido como ‘la partícula de Dios’).
Fuente mileniodigital
El bosón de Higgs para profanos
En el diseño del experimento CMS ha trabajado un equipo de investigadores y científicos españoles
La masa es uno de los conceptos más fundamentales y a la vez extraños en física. Desde que, siendo unos retoños, empezamos a interaccionar con el mundo que nos rodea nos familiarizamos con la masa de los objetos. Nos resulta sencillo desplazar la pelota de goma, pero se nos hace imposible mover el armario. Rápidamente asociamos el concepto de masa al de inercia, concepto, éste último, que tenemos tan interiorizado que nos resulta tremendamente intuitivo, incontestable.
Los objetos macroscópicos (los que podemos ver a simple vista) están
hechos de materiales compuestos de moléculas. Estas no son sino
conjuntos de átomos, estructuras formadas por ínfimas partículas
elementales que interaccionan entre sí gracias a su carga eléctrica.
La masa de todo lo que nos rodea es (dejando de lado el rigor de
importantes detalles en aras de hacer el razonamiento más intuitivo) la
suma de las masas de todas esas partículas diminutas, invisibles, de las
que están hechos, de las que estamos hechos.
En física no es fácil explicar cuál es el origen de la masa de las
partículas. Podríamos contentarnos con asumir que es así, renunciando a
profundizar en los misterios de la naturaleza. Pero esa actitud no
crítica es contraria al espíritu de la ciencia. Es razonable pensar que
existe un mecanismo que hace que unas partículas experimenten una
inercia diferente de otras, por lo que sus masas serán de diferente
magnitud.
Una hipótesis razonable para este mecanismo es suponer que existe un
“campo” que permea todo el espacio (el universo) con el que
interaccionan casi todas las partículas elementales. Aquellas partículas
que experimenten una interacción intensa con este campo serán
partículas muy masivas, mientras las que lo hagan levemente serán
ligeras.
Pero, ¿y las que no interaccionan ? Esas, como el fotón (la partícula
de la luz), carecen de masa pudiendo moverse libremente a la velocidad
de la luz. Estamos hablando del campo de Higgs. Si visualizamos este
campo como una gelatina que, de forma apenas perceptible, ocupa todo el
espacio podemos interpretar la inercia como la interacción de las
partículas elementales con esta “sustancia” (sin olvidar que ésto no es
sino una imagen mental, un ejercicio intelectual). Este campo que, como
dijimos, permea todo el espacio, es prácticamente indetectable. Sin
embargo, el modelo de Higgs predice que si lo agitamos con suficiente
fuerza podemos producir perturbaciones en el mismo que serían
detectables. Esas perturbaciones son la partícula de Higgs (más
técnicamente, el bosón de Higgs).
El bosón de Higgs y los experimentos del CERN
En ciencia, para que un teoría pase de ser una hipótesis razonable,
es imprescindible que haga predicciones de fenómenos no observados
previamente, y que estas predicciones sean confirmadas a través de
experimentos.
Una forma de alcanzar la energía capaz de producir perturbaciones
detectables del campo de Higgs es acelerar dos haces de protones, en
direcciones contrarias, a una velocidad próxima a la de la luz, y
hacerlos chocar, provocando la completa desintegración de las partículas
que participan en la colisión (los quarks y gluones de los que están
hechos los protones). La energía de la colisión se transforma en nuevas
partículas (ya conocidas) que se alejan del punto de interacción a
velocidades próximas a las de la luz.
El acelerador LHC del CERN
es capaz de acelerar grandes cantidades de protones (decenas de
billones de protones por haz) al 99.999997% de la velocidad de la luz y
hacerlos colisionar en puntos de interacción muy precisos (cada uno de
ellos es, en buena aproximación, un circulo de 10 milésimas de milímetro
de radio) en torno a los cuales están situados los detectores de
partículas.
Estos detectores, ATLAS y CMS, son complejos dispositivos
electrónicos (con unos 100 millones de canales de lectura) capaces de
registrar con elevadísima precisión las trayectorias y energías de las
partículas emergentes de las colisiones entre protones, que tienen lugar
a un ritmo de 20 millones de veces por segundo.
Si el bosón de Higgs existe, en un muy reducido número de casos también podría ser producido en el colosal choque de partículas
Si el bosón de Higgs existe, en un muy reducido número de casos
también podría ser producido en el colosal choque de partículas (que
llamamos “suceso”). La dificultad del experimento radica en aislar las
colisiones en las que se ha producido un bosón de Higgs de aquellas en
las que no lo ha hecho lo que, según los modelos teóricos, ocurre una
vez cada billón de colisiones. El físico experimental debe explotar las
propiedades de desintegración del bosón de Higgs para separar su señal
de la ingente cantidad de colisiones muy similares que, sin embargo, no
han dado lugar a esta partícula. No es trivial identificar un suceso de
Higgs aislado, por lo que el experimento se realiza una enorme cantidad
de veces para acumular un elevado número de datos. Esto pone de
manifiesto el carácter estadístico del análisis. Cuando decimos que un
suceso (una colisión) ha dado lugar a un bosón de Higgs, solo podemos
hablar de la probabilidad de que sea así. Las muestras de sucesos “de
Higgs” contienen inevitablemente una cantidad de otros sucesos (sin
Higgs) que tenemos que cuantificar con muchísimo cuidado, lo que supone
una buena parte del trabajo del físico experimental.
El bosón de Higgs no se puede detectar directamente. Esta partícula
altamente inestable se desintegraría de forma casi inmediata dando lugar
a otras partículas más comunes. En el modelo de Higgs, el parámetro
fundamental que dicta cómo se desintegra el bosón de Higgs y cómo se
observa en los experimentos es la masa del propio bosón de Higgs. Los
físicos determinan la masa de esta partícula a partir de las medidas
precisas de las trayectorias y energías de las partículas procedentes de
su desintegración. Estas distribuciones contienen una contribución
irreducible de sucesos sin Higgs (llamados contaminación) y una
contribución adicional compatible con la señal esperada para sucesos con
un bosón de Higgs con una masa próxima a 125 GeV (es decir, 133 veces
la masa del protón).
Para poder afirmar que las observaciones confirman o refutan la
teoría es imprescindible cuantificar la prominencia de los sucesos
compatibles con la señal del Higgs sobre los sucesos de contaminación.
Dado el carácter estadístico del análisis, cuantificamos la señal como
la probabilidad de que sea incompatible con una fluctuación estadística
de los sucesos de contaminación, sin Higgs. En el caso de CMS, esta
incompatibilidad es de una parte en 3 millones.
Para poder confirmar si
se trata del bosón de Higgs o de otra partícula similares, ATLAS y CMS
van a medir con precisión la naturaleza y propiedades de la nueva
partícula con datos que LHC va a proporcionar
Como consecuencia del análisis de los datos del detector CMS podemos
afirmar que, con la probabilidad mencionada, observamos la señal de una
nueva partícula compatible con lo que se espera para un bosón de Higgs
de masa 125.3 GeV. El hecho de que ATLAS obtenga conclusiones similares
del análisis de sus datos refuerza nuestras conclusiones. En cualquier
caso, para poder confirmar si se trata realmente del bosón de Higgs o de
otra partícula con características similares, ATLAS y CMS van a medir
con precisión la naturaleza y propiedades de la nueva partícula con los
datos que LHC va a proporcionar hasta primeros de 2013, multiplicando
por un factor aproximadamente 4 el número de datos recogidos hasta la
fecha.
El diseño y construcción del experimento CMS ha supuesto un colosal
esfuerzo de científicos e ingenieros procedentes de unos 40 países.
Actualmente, la Colaboración CMS está integrada por 3300 físicos e
ingenieros de 193 institutos. Entre ellos se encuentran los grupos
españoles del Instituto de Física Corpuscular de Cantabria, la
Universidad de Oviedo, la Universidad Autónoma de Madrid y el Centro de
Investigaciones Energéticas, Mediambientales y Tecnológicas (CIEMAT,
Madrid). Los grupos españoles han participado, desde hace 20 años, en
todas las facetas del experimento: diseño, construcción, puesta en
marcha, adquisición y análisis de datos, así como en el sistema de
computación distribuida Grid. En particular, han hecho contribuciones
directas muy importantes en la búsqueda del bosón de Higgs.
Pablo García Abia es físico del Ciemat y miembro del experimento CMS
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