¡¡El Bosón de Higgs!!

El Acelerador LHC explorará con detalle la alta escala de energía del TeV, con un potencial de descubrimiento de hasta 14 Tera electrón Voltios. Con esta trampa descomunal construida por el hombre, se espera atrapar al esquivo bosón que, según todos los indicios, es el que proporciona la masa a las partículas. Hoy creemos en la existencia de una presencia espectral en el Universo que nos impide conocer la verdadera naturaleza de la materia. Es como si algo quisiera impedirnos ese conocimiento final que nos daría la luz necesaria para que, nuestras mentes, pudieran al fin comprender esa realidad del Universo que, hasta el momento, no hemos sabido vislumbrar, sólo su sombra se nos aparece en algunos experimentos.

En los años 60 del S.XX, independientemente, Peter Higgs, Francois Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Dick Hagen y Tom Kibble, propusieron precisamente, que el universo estaba lleno de un campo más tarde llamado Campo de HIGGS. Como ya se ha comentado, las interacciones de las partículas con este campo provoca que adquieran masa. Podemos pues imaginar el espacio lleno de estas partículas virtuales (bosones de Higgs) que al interaccionar con las demás partículas provocan en ellas “dicficultade” para moverse. Es decir, las partículas adquieren inercia y por tanto masa. A más interacción con el campo Higgs más masa.Por ejemplo, los fotones no interaccionan con ese campo mientras que los quarks “top ” lo hacen muy intensamente.

Si existe una Nueva Física, será encontrada a esa escala de energía, ya que, los detectores situados en el LHC, de gran potencia, la encontrarán. Una de las predicciones más importantes es la de la presencia del Bosón de Higgs para esos valores de energía. Se duscubrimiento, o exclusión completa, añadirá piezas crucilaes para nuestro entendimiento de los procesos fundamentales que rigen la Física de Partículas, con fuerte impacto en las Astropartículas y la Cosmología.

Arriba podemos ver una recreación de la interacción de dos gluones en el instante de la colisión de dos protones del LHC, produciéndose un bosón Higgs, un quark t y un antiquark t. Estas tres partículas decaen en una combinación de otros quarks y leptones muy particular que es muy difícil que se den desde otros procesos. Recogiendo suficientes evidencias de señales como ésta podrán las colaboraciones ATLAS y CMS descubrir el bosón Higgs.

Los físicos siempre han descubierto los secretos de la Naturaleza mediante la intuición de los físicos y la experimentación. La Teoría electrodébil (es un buen ejemplo de ello) unifica la fuerza débil y electromagnética adscribiendo los dos interaccicones fundamentales, tan diferentes en sus manifestaciones, a un único principio de simetría. El modo en que este principio de simetría gauge electrodébil queda oculta es una de las cuestiones más importantes que ha de resolver la Fisica de partículas. La respuesta más comunmente aceptada, incorporada a lo que conocemos como Modelo Estándar de la Física de Partículas quedó formulada por Higgs, por Brout, Englert, Murray Gell-Mann y otros allá por los años 60, el agente de la rotura de la simetría es un campo escalar cuyas auto-interacciones seleccionan un estado del vacío en el que la simetría electrodébil queda oculta.

¿Podrá ser el mecanismo Higgs, la creación de la masa en el Universo?

“Los dioses crearon al mundo con alguna imperfección simétrica. Esto, con el objetivo de que los humanos no sintieran envidia de sus poderes”. Richard Feynmann (Premio Nobel de Física)

Conforme nos acercamos a comprender el mismo instante del Big Bang, crece nuestra excitación, nos da la sensación de que casi parece que tocamos el momento de la creación. Ese sentimiento es el que debe haber experimentado la persona que bautizó a la partícula llamada Bosón de Higgs, por ser la partícula cuántica asociada a un campo escalar llamado de Higgs, capaz de conferir masa al resto de las partículas y a la propia (podría haber recibido también el nombre de otros colegas como Brout, Engler o Kibble, como reconoce el propio Peter Ware Higgs).

En un estado inicial unificado y simétrico (las cuatro fuerzas constituían una sola fuerza unificada y simétrica) existirían unos campos asociados con partículas de interacción sin masa. La idea fundamental del mecanismo de Higgs consiste en introducir un nuevo campo escalar que ofrece la propiedad de no anularse en el vacío, pues anularlo costaría energía. El estado inicial simétrico sería similar a lo que ocurre en la figura, la base de una botella de vino. Si situamos en el punto superior de la base una bolita, nos encontraremos con una situación perfectamente simétrica pero inestable (campos sin masa). De forma espontánea, esta simetría tenderá a romperse en dirección de una situación final no simétrica pero con menor energía potencial, la bolita descansará en la parte más baja de la base (campos con partículas asociadas con masa).

Una simetría puede ser perfecta en el plano de las ecuaciones y resultar rota en el plano de las soluciones. Como decía Weinberg: «Aunque una teoría postule un alto grado de simetría, no es necesario que los estados de las partículas muestren la simetría. Nada me parece tan halagüeño en física como la idea de que una teoría puede tener un alto grado de simetría que se nos oculta en la vida

El Mecanismo de Higgs como es comúnmente conocido confiere masa a los portadores de la fuerza débil W+, W- y Z por analogía con el efecto Meissner en superconductividad. Este mecanismo abre las puertas a la masa de los quarks y leptones además de dotar de forma el mundo que nos rodea. El Bosón de Higgs del Modelo Estándard de las Partículas Elementales se ha buscado de modo directo en el acelerador e+ e- LEP que produjo un límite inferior para su masa de 114,3 GeV/c2 (al 95% del nivel de confianza).

El Bosón de Higgs se ha buscado también en el colisionador protón-antiprotón del Tevatrón por los experimentos CDF y D0. En este caso se explora el rango de masa comprendido entre el límite directo obtenido por el LEP y aproximadamente 200 GeV/c2.

Viendo estas maravillas de la técnica y de la electrónica, que llevan incorporados los más rfinados avances de la Ciencia enn materia de Aceleradores y potencias, no podemos dudar de que, al menos, el intento de buscar el Bosón de Higgs, ha sido bueno y…caro.

Se espera que el acelerador protón-protón LHC produzca las primeras colisiones a la energía de 14 TeV en la segunda mitad del 2009. Los experimentos de propósito general que están siendo actualmente colocados en el mismo, explorarán la escala de Fermi, es decir, el regimen de energía que corresponde a una energía de alrededor de un TeV durante la próxima década. Uno de sus objetivos principales será el de descubrir el origen del Mecanismo de Rotura Expontánea de la Simetría, por lo que la búsqueda del Bosón de Higgs es una de las tareas clave que han de llevar a cabo dichos experimentos CMS y ATLAS.

Los dos primeros Bosones vectoriales Z observados en el detector ATLAS del LHC del CERN.

Otro bosón Z observado en el experimento ATLAS el 10 de mayo de 2010 (decae en un par muón-antimuón). (C) CERN

El LHC del CERN ya lleva acumulados unos 10 inversos de nanobarn de colisiones, por lo que los experimentos CMS y ATLAS ya tienen que haber observado, en teoría, unos 1000 bosones W, unos cientos de bosones Z y unos pocos quarks top. Acaba de aparecer en la web del experimento ATLAS las que se afirma que son las dos primeras observaciones de bosones Z en su detector, un Z que decae en un par electrón-positrón (9 de mayo) y otro Z que decae en un par muón-antimuón (10 de mayo). La web del experimento CMS todavía no ha sido actualizada desde que presentó los primeros eventos observados el 30 de marzo.

En LHC se estudiará la partícula de Higgs no sólo para el caso del CMS sino también en el marco de varias de sus extensiones, como el MSSM, Little Higgs y otros, en todo el rango de masa accesible en este colisionador, comenzando por el valor ya excluido en LEP. A partir de los estudios previos realizados por los dos experimentos CMS y ATLAS en sus fases de preparación para las colisiones en LHC (ya se ha producido), es posible concluir, que en un amplio rango de masa del Bosón de Higgs en el SM y muchas de sus extensiones, su descubrimiento será posible con unos pocos fb exp. -1 de luminosidad integrada.

Mira que si después de tanto ruido el Higgs no aparece. A más de uno se nos quedaría cara de alelado, después de estar años hablando de ella y peleando por su existencia para completar el Modelo Estándard de Partículas…¡Qué Frustración! Pero, de algo sí estoy convencido, el LHC nos encontrará muchas más cosas aparte del dichoso Bosón.

La Masa de las Partículas y el Mecanismo de Higgs.

El valor concreto de la masa de las partículas elementales que hoy conocemos determina muchos de los aspectos de nuestra vida cotidiana y del comportamiento y tamaño del Universo. Por ejemplo, la masa del electrón, determina la escala de longitud de nuestro mundo, a través del radio de Bhor, cuya definición obvio aquí por no entrar en complejidades que serían molestas para el lector no versado.

Podemos decir, en resumen, que los valores concretos de las masas de las partículas que componen la materia, incluso la materia ordinaria, como el electrón y los quarks up y down, y la del W son esenciales para la creación y desarrollo del Universo.

Pero el modelo estándar no está libre de problemas, más bien al contrario, está repleto de problemas para los que no hay una única solución sino muchas propuestas alternativas, a cada cual más exótica. Cada propuesta conlleva una serie de predicciones que aún no han sido verificadas o descartadas experimentalmente. Sobre todo teniendo en cuenta que estas propuestas incluyen parámetros libres que se pueden ajustar a las observaciones experimentales. Conforme exploramos energías más altas sin observar estas predicciones, los parámetros se ajustan para dejar la puerta abierta en escalas de energía aún más altas.

El mayor problema del modelo estándar en la actualidad es la masa de los bosones vectoriales W y Z, las partículas portadoras de la fuerza electrodébil, junto al fotón. El fotón es una partícula vectorial transversal, el campo electromagnético vibra en un plano perpendicular a la dirección de movimiento. Los bosones W y Z tienen masa lo que significa que su campo, además de dos componentes transversales, también tiene una tercera componente longitudinal (W_L,Z_L). Estas componentes longitudinales introducen términos no renormalizables en la teoría, es decir, contribuciones que crecen conforme la energía crece hasta volverse infinito. Técnicamente, los términos matemáticos que describen la masa de estos bosones intermedios violan la simetría SU(2)xU(1) y destruyen la unitariedad de la teoría a alta energía.

Para resolver el problema de la masa de los bosones W y Z en el modelo estándar se han propuesto diferentes mecanismos. El más sencillo y el primero en ser propuesto es el mecanismo de Hagen-Englert-Guralnik-Higgs-Brout-Kibble, normalmente abreviado como mecanismo de Higgs, para explicar la ruptura de la simetría electrodébil. Dicho mecanismo predice la existencia de una nueva partícula, aún por descubrir, llamada partícula de Higgs (un bosón escalar neutro en el modelo estándar mínimo). Esta partícula es un bosón de espín cero neutro que se acopla a los bosones W y Z de una forma muy particular, exactamente la forma necesaria para lograr resolver los problemas de alta energía del modelo estándar debidos a que estos bosones tienen masa. Cualquier otro bosón escalar neutro que se acople a dichos bosones W y Z pero que lo haga de forma ligeramente distinta será un impostor del Higgs, pero no será el Higgs. La figura de la izquierda muestra exactamente cómo debe acoplarse el bosón de Higgs. Un Higgs impostor se acopla de forma muy parecida pero no igual, como muestran las fórmulas de la derecha, introduciendo términos que están multiplicados por un números que para el Higgs verdadero valen exactamente la unidad. Como muestra la figura de abajo, los tests de precisión de los parámetros de la teoría electrodébil prefieren un Higgs de baja masa y prefieren un Higgs convencional. Un Higgs impostor debe tener 0’86 < a ?1 y estar compuesto por un par de fermiones de más de 500 GeV. Para el LHC, si no existe el Higgs convencional, será muy difícil encontrar un Higgs impostor con estas características.

¿Estará el Bosón en algunas de estas pantallas? Bueno, cientos de físicos de todo el Mundo están revisando los resultados de las pruebas efectuadas hasta el momento y que pueden llenar una habitación de Cds. Encontrarlo, no será fácil pero…¿quién sabe?

El Mecanismo de Higgs que distingue el electromagnetismo de la interacción débil es en resumen, de capital importancia para dar forma a nuestro mundo, dándo cuenta de las masas de las partículas intermedias de la interacción débil, y dentro del SM proporcionando masa a los quarks y leptones. La comprensión de este mecanismo, o de cualquier otro que explique estas propiedades, nos dará buenas posibilidades para explicar por que los átomos existen, como dichos átomos pueden formar el enlace químico, y la razón por la que las estructuras estables son posibles. La respuesta a estas cuestiones que son algunas de las más importantes que la Humanidad se ha preguntado, están actualmente dentro del alcance de la Física de Partículas.

En la próxima década, principalmente los experimentos situados en LHC llevarán a cabo exploraciones definitivas a la escala de Fermi a energías de alrededor de 1 TeV. Esto permitirá probar escalas más pequeñas que 10 exp. -18 m, y previsiblemente llevará a entender el Mecanismo de Rotura de la Simetría Electro-Débil, para lo cual una parte crucial será la de buscar el Bosón de Higgs y medir sus propiedades.

De ser cierto que el agente de la rotura expontánea de la simetría es un escalar elemental como ocurriría en el SM, sería la primera partícula de éste tipo conocida experimentalmente. Entender su comportamiento podría llevar a nuevas ideas acerca de la dinámica del Universo en los primeros instantes, y eventualmente al origen de la energía oscura.

                                                   Él nos dijo que la masa era energía pero, no podrá decirnos qué masa tiene el Bosón de Higgs

La teoría electrodébil no predice la masa del Bosón de Higgs puesto que los parámetros de los que depende el potencial de Higgs no los explica. Como ya se ha mencionado, la búsqueda directa del Bosón del Higgs LEP ha proporcionado un límite inferior a su masa de 114,3 GeV/c2 (al 95% ndel nivel de confianza).

Como vereis amigos, la búsqueda del Bosón de Higgs es tan importante para la Humanidad como la de conocer el Universo mejor, tener un Modelo Estándar de la Física de Partículas que sea acorde a la realidad, encontrar incluso indicios de la energía oscura y, así podríamos seguir exponiendo aquí lo enorme del proyecto y de sus resultados. Y, precisamente, por esa razón, cuando oigo o leo las tonterias que van diciendo algunos ignorantes por ahí, me revelo contra la falta de cordura y racionalidad.

El LHC nos traerá muchas alegrias, incluso aunque algunas de las esperanzas en él puestas no sean confirmadas, nos dará la respuesta cierta a que estabamos equivocado y podremos enmendar el camino a seguir.

Las últimas noticias aconsejan reponer este trabajo.

Emilio Silvera

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