¿Se ha encontrado ya el Bosón de Higgs?

¿Se ha descubierto “el” Bosón de Higgs?

Respecto de la última pregunta se ha escrito bastante y no es mi intención dar aquí una descripción detallada de lo que es el BEH y de su importancia en la Física de Partículas. Simplemente intentaré resumir en dos líneas las ideas principales. El BEH es una partícula elemental predicha en el contexto del llamado Modelo Estándar (en adelante referido como SM por sus siglas en inglés) hace cerca de 50 años, pero que no había sido observada pese a la realización de multitud de experimentos con este objetivo. El SM ha demostrado un poder predictivo impresionante y ha explicado con precisión todos los experimentos y observaciones del mundo de las partículas elementales. Sin embargo, por argumentos que no voy a entrar a discutir aquí, el modelo necesita la existencia de un campo que llena el Universo (el campo de Higgs). Si el campo existe, también debería existir un nuevo tipo de partículas, precisamente los bosones de Higgs, con unas propiedades peculiares. Encontrar esta partícula se convirtió en uno de los problemas clave de la física de partículas en las últimas décadas, para confirmar la consistencia del modelo en el que se basa nuestro actual entendimiento del universo a esta escala o para desecharlo, obligando a replantear toda la Física de Partículas.

Respecto a la perplejidad de quienes daban por hecho que ya se había descubierto, es cierto que ya circularon noticias parecidas hace unos meses. A finales de 2011 se presentó a los medios (y más adelante se publicó en revistas especializadas) la “evidencia” de una señal compatible con el BEH y posteriormente en Julio de 2012, con más datos, la “observación” de esta señal.  El acelerador LHC había sido capaz de realizar colisiones a unas energías jamás alcanzadas y dos complejos detectores ATLAS y CMS, habían sido capaces de identificar entre ellas algunas compatibles con la producción de BEH. Quiero recordar que cada uno de estos experimentos se lleva a cabo por grupos de dos o tres mil científicos, entre los que se encuentran investigadores de universidades.

y centros de investigación españoles¹. Aclarar a quien pueda haber llamado la atención, que la diferencia entre evidencia y observación, consiste en la significación estadística de la señal observada. En este tipo de búsqueda, como en muchos casos en Física de Partículas, se trata de discriminar una tenue señal producida por colisiones “interesantes” por encima de un fondo producido por colisiones “normales”, que nada tienen que ver con el Higgs, pero dejan una señal similar en los detectores. La diferencia entre no decir nada, indicar una evidencia o una observación estriba en cuán improbable es que la señal observada sea una fluctuación del fondo. Pues bien, los resultados indicaban la existencia de cierto tipo de colisiones que encajaban con las predichas por la existencia del BEH y con una probabilidad despreciable de provenir de fluctuaciones de fondo. En concreto, se hablaba de un exceso “compatible” con lo esperado en producción y desintegración de un BEH de acuerdo con el SM. La partícula tenía que ser un bosón (dado que se desintegra a pares de fotones, dos objetos de spin 1),  no era compatible con ningún otro proceso o partícula conocidos hasta ahora y encajaba razonablemente con lo predicho para un BEH. Sin embargo, no existe la seguridad de que sea exactamente “el” bosón de Higgs, exactamente lo predicho por el modelo. El mensaje de los experimentos fue cauto: “se ha descubierto una nueva partícula elemental, esta partícula es un bosón y se parece a lo que esperaríamos para un BEH, sin embargo no podemos confirmar que sus todas sus propiedades coincidan con las esperadas para un Higgs”. Por lo tanto, en ese momento no se afirmó que se había descubierto “el” bosón de Higgs.

¿Cuál ha sido el cambio de estas últimas semanas? El CERN, basándose en los últimos resultados presentados por las colaboraciones ATLAS y CMS en las series de conferencias “Rencontres de Moriond”  emitió una nota de prensa en la que se anunciaba: “Nuevos resultados indican que la partícula encontrada en el CERN es el bosón de Higgs”. Ambas colaboraciones presentaron numerosos resultados, que completaban el análisis de las colisiones del LHC registradas en 2011 y 2012, incluían nuevas formas de producción y desintegración y, sobre todo, las primeras medidas de las propiedades de esta partícula. De todos los nuevos resultados presentados destacar cuatro, más allá del hecho fundamental del que nadie duda ya, de que se confirma la existencia de esta nueva partícula.

1. Estudio de la producción de Higgs. Ambos experimentos comienzan a proporcionar medidas razonablemente precisas de la sección eficaz de producción, que están de acuerdo con las predichas por el SM (aunque ATLAS obtiene un valor ligeramente más alto y CMS uno ligeramente más bajo). Además se comienzan a observar procesos de producción menos probables, también de acuerdo con las predicciones, los llamados VBH (producción por fusión de bosones vectoriales) y VH (producción de un bosón de Higgs acompañado de un bosón Z o W).
2. Estudio de la desintegración del Higgs.  Se aportan ya un conjunto bastante completo de observaciones para muchos de los posibles canales de desintegración. El descubrimiento se realizó fundamentalmente en base a los llamados canales ZZ y gg, en que el Higgs se detecta por su desintegración a pares de bosones Z o de fotones. Además de refinar las medidas en estos canales, se han complementado con las de otros como el WW (dos bosones W), bb (pares de quarks beauty) o tt (pares de leptones tau). Contrariamente a algunos indicios iniciales, en ninguno de los casos se observan desviaciones significativas de lo esperado para el SM. De todos estos resultados se ha derivado información sobre la intensidad de los acoplamientos a bosones y fermiones y, una vez más, no hay desviaciones del SM (Figura 1).
3. Masa de la partícula. Se ha medido la masa de esta partícula con bastante precisión, situándola entre 125 y 126 GeV/c². Aunque el SM no proporciona una predicción sobre la masa del Higgs (éste es uno de los motivos de la dificultad de su búsqueda), ésta interviene de forma indirecta en los cálculos de todas las predicciones del SM. El valor obtenido está dentro del (amplio) rango permitido.
4. Spin y paridad. Finalmente, más novedoso y probablemente más importante, se han comenzado a realizar medidas del spin y la paridad de la partícula encontrada. Dentro del SM, el Higgs debe ser un escalar, esto es, debe ser una partícula de spin cero y paridad positiva. Del estudio de correlaciones angulares en las desintegraciones de canales bosónicos se ha excluido la mayoría de las combinaciones spin/paridad posibles, y de los casos restantes el más favorable es precisamente el deseado (un ejemplo se muestra en la figura 2). Aún no se puede confirmar al 100%, pero todo indica que efectivamente el estado observado corresponde con un bosón escalar.

En este punto uno está tentado de parafrasear el dicho anglosajón del pato, “si se produce como un Higgs, se desintegra como un Higgs y tiene el spin de un Higgs entonces…” Sin embargo los experimentos ATLAS y CMS siguen siendo cautos y se limitan a trasmitir los resultados, que es cierto parecen confirmar que la partícula observada se comporta de una forma muy parecida a lo que esperamos de un BEH en el SM. Primero hay que esperar a que estos resultados preliminares sigan el proceso habitual en estos casos tras su presentación en una conferencia: revisión interna adicional dentro del experimento y publicación en una revista tras revisión externa. Incluso si todos estos resultados se confirman tras estos filtros adicionales, quedaría al menos una pregunta importante que resolver para poder decir con completa confianza que se ha detectado “el” bosón de Higgs. He hablado antes de los acoplamientos, que ajustaban a lo esperado por el SM. Sin embargo, los datos registrados son insuficientes para garantizar con precisión la propiedad fundamental de que el acoplamiento es proporcional a la masa de las partículas al cuadrado. Habrá que esperar algunos años para tener más luz en estos aspectos.

Y si somos atrevidos y aceptamos sin reservas estos resultados, olvidamos la cautela e ignoramos los aspectos pendientes que acabo de citar, entonces ¿podríamos decir que es “el” Higgs? Para muchos físicos de partículas, ni siquiera así podríamos decirlo propiamente. A pesar del gran éxito del SM en reproducir las observaciones, existen distintos argumentos teóricos que hacen sospechar que no es la teoría última a escala de las partículas elementales, sino que es un subconjunto o una adaptación de otro modelo más general (de forma parecida a como la mecánica newtoniana es un caso particular de la relatividad especial). La extensión preferida del SM se basa en la llamada supersimetría. Dentro de este conjunto de modelos, no habría uno, sino varios tipos de bosones de Higgs. Podríamos estar observando el más ligero de todos ellos, con unas propiedades muy similares a las del BEH del SM. De la simple medida de estas propiedades, el LHC no será capaz de distinguir entre ambos. La búsqueda actual se centra en encontrar los higgses adicionales u otras nuevas partículas que también son predichas por estos modelos. En ese sentido, para todos aquellos que confían en este tipo de modelos, no es “el”  sino “un” Higgs,.

Por lo tanto, en respuesta a las preguntas planteadas y desde mi punto de vista como físico experimental, creo que aún no podemos decir con certeza científica que se ha descubierto el bosón de Higgs, pero sí podemos afirmar que se ha observado una nueva partícula elemental, que es un bosón, que con gran seguridad es un escalar (tiene spin 0 y paridad positiva) y que sus acoplamientos a las partículas elementales hasta el momento son compatibles con lo predicho para el Higgs. En resumen, si no es el bosón de Higgs se le parece mucho. Próximas medidas nos irán reduciendo aún más las ambigüedades restantes, indicándonos si es exactamente lo que se predijo como bosón de Higgs (lo que sería la demostración de un gran éxito del SM) o no (en cuyo caso se abriría nuevos y muy interesantes interrogantes en la física de partículas).

Referencias: Los resultados aquí mencionados aún no han sido publicados en revistas científicas convencionales o lo han sido sólo de forma parcial, se basan en los artículos enviados a la citada conferencia de Rencontres de Moriond que pueden encontrarse en las respectivas páginas de las colaboraciones ATLAS y CMS

¹En ATLAS participan el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto CSIC y la Universitat de València), el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CNM-IMB-CSIC), Institut de Fisica d’Altes Energies (IFAE, consorcio Generalitat de Catalunya y Universitat Autònoma de Barcelona) y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). En CMS participan el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, centro mixto del CSIC y la Universidad de Cantabria), la Universidad de Oviedo (UO) y la UAM

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