31 de Julio de 2022
Física de partículas

El Higgs, diez años después

A principios de mes se cumplieron diez años del descubrimiento del bosón de Higgs, pero muchas de sus propiedades siguen siendo un misterio. ¿Qué sabemos e ignoramos sobre esta famosa partícula?

Parte del detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. [Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/CERN]

El 4 de julio de 2012, los físicos del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, cantaron victoria en su larga búsqueda del bosón de Higgs. El hallazgo de la escurridiza partícula cubrió la última laguna del modelo estándar (la mejor teoría que tienen los físicos para describir las partículas y las fuerzas) y abrió una nueva ventana a la física, al ofrecernos un modo de saber más sobre el campo de Higgs, que confiere a las partículas su masa a través de una interacción que aún no se había estudiado.

Desde entonces, los investigadores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, situado cerca de Ginebra, han estado muy ocupados: han publicado casi 350 artículos científicos sobre el bosón de Higgs. No obstante, muchas de las propiedades de la partícula siguen siendo un misterio.

Con motivo del décimo aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs, vamos a resumir lo que nos ha enseñado sobre el universo y los grandes interrogantes que aún quedan por resolver.

CINCO COSAS QUE HEMOS APRENDIDO

1. La masa del bosón de Higgs es de 125 gigaelectronvoltios.

Los físicos confiaban en que acabarían encontrando el bosón de Higgs, pero no sabían cuándo lo lograrían. En la década de 1960, el físico Peter Higgs y otros investigadores postularon que lo que ahora se conoce como campo de Higgs podría explicar por qué el fotón no tiene masa, mientras que los bosones W y Z, mediadores de la fuerza nuclear débil que gobierna la radiactividad, son pesados (para tratarse de partículas subatómicas). Gracias a sus singulares propiedades, el campo de Higgs permitió explicar las masas de todas las partículas mediante el mismo mecanismo y se convirtió en una parte esencial del modelo estándar. Pero la teoría no hacía ninguna predicción sobre la masa del bosón asociado a ese campo, de modo que no estaba claro cuándo podría producirlo el LHC.

Al final, la partícula apareció mucho antes de lo esperado. El LHC comenzó a recoger datos en 2009, dando así inicio a su búsqueda del bosón de Higgs. Y en 2012, tanto ATLAS como CMS (dos de los experimentos del acelerador) lo observaron. Los detectores registraron la desintegración de unas pocas decenas de bosones de Higgs en fotones y bosones W y Z, lo que reveló un pequeño pico en los datos a una energía de 125.000 millones de electronvoltios (125 GeV), unas 125 veces la masa del protón. (Debido a la equivalencia entre masa y energía, las masas de las partículas suelen expresarse en electronvoltios.)

Esa masa de 125 GeV es idónea, ya que implica que el bosón de Higgs se descompone en una amplia gama de partículas con suficiente frecuencia como para poder observarlo en los experimentos del LHC, explica Matthew Mccullough, físico teórico del CERN. «Es muy extraño y probablemente casual, pero resulta que [con esa masa] se pueden medir montones de cosas distintas sobre el Higgs.»

2. El bosón de Higgs es una partícula de espín cero.

El espín es una propiedad cuántica intrínseca de las partículas, que a menudo se representa como un imán interno. El espín de todas las demás partículas fundamentales conocidas es 1/2 o 1, pero la teoría predecía que el bosón de Higgs debía salirse de la norma y tener espín 0. (También se preveía, acertadamente, que no tendría carga eléctrica.)

En 2013, los experimentos del CERN estudiaron el ángulo con el que salían volando los fotones producidos en las desintegraciones del bosón de Higgs, y usaron los datos para demostrar que la partícula tenía espín cero, con una probabilidad muy alta. Hasta que eso quedó claro, pocos físicos se sentían cómodos llamando Higgs a la partícula que habían encontrado, señala Ramona Gröber, física teórica de la Universidad de Padua.

3. Las propiedades del bosón de Higgs descartan algunas teorías que van más allá del modelo estándar

Los físicos saben que el modelo estándar no es completo: se espera que deje de ser válido a energías muy altas y no puede explicar observaciones clave, como la existencia de la materia oscura o la escasez de antimateria en el universo. Así que han concebido extensiones del modelo que abordan estas cuestiones.

Descubrir que el bosón de Higgs tiene una masa de 125 GeV ha hecho que algunas de esas teorías resulten menos atractivas, apunta Gröber. Pero la masa se halla en una «zona gris», lo que significa que descarta muy pocas cosas de manera concluyente, añade Freya Blekman, física de partículas en el Sincrotrón de Electrones Alemán (DESY) de Hamburgo. «Tenemos una partícula que es compatible con casi todo», asegura.

4. El bosón de Higgs interactúa con otras partículas del modo que predice el modelo estándar

Según el modelo estándar, la masa de una partícula depende de la intensidad con la que interactúa con el campo de Higgs. Aunque los bosones (que son excitaciones del campo de Higgs) no desempeñan ningún papel en ese proceso, el ritmo con el que se descomponen en una determinada partícula o son producidos por ella proporciona una medida de la interacción entre esa partícula y el campo de Higgs.

Los experimentos del LHC han confirmado que, al menos para las partículas más pesadas, que son las que se producen más a menudo en las desintegraciones del bosón de Higgs, la masa es proporcional a la interacción con el campo, un éxito notable para una teoría desarrollada hace 60 años.

5. El universo es estable... pero no del todo.

Los cálculos realizados a partir de la masa del bosón de Higgs sugieren que el universo podría ser estable solo de forma transitoria, y que existe una ínfima posibilidad de que caiga a un estado de menor energía, lo que tendría consecuencias catastróficas.

A diferencia de otros campos conocidos, el campo de Higgs tiene un valor distinto de cero en su estado de mínima energía (en el vacío) y permea todo el universo. Según el modelo estándar, ese «estado fundamental» depende del modo en que las partículas interactúan con el campo. Poco después de que se descubriera la masa del bosón de Higgs, los teóricos usaron ese valor (junto con otras mediciones) para predecir que existe un estado de energía aún más bajo y, por lo tanto, más favorable.

Pero pasar a ese otro estado requeriría superar una enorme barrera energética, explica Mccullough, y la probabilidad de que eso ocurra es tan pequeña que no tiene visos de ocurrir en una escala de tiempo del orden de la vida del universo. «Nuestro día del juicio final llegará mucho antes, y por otras razones», vaticina Mccullough.

Esta imagen de ordenador de los eventos registrados por el detector CMS del CERN en 2012 muestra las características esperadas para la descomposición de un bosón de Higgs en un par de fotones (<em>líneas amarillas discontinuas y barras verticales verdes</em>). [Thomas Mc Cauley, Colaboración CMS/CERN]

CINCO COSAS QUE AÚN ESTUDIAN LOS CIENTÍFICOS

1. ¿Es posible mejorar la precisión de las mediciones del bosón de Higgs?

Hasta ahora, las propiedades del bosón de Higgs (como la intensidad con que interactúa) coinciden con las predichas por el modelo estándar, pero con una incertidumbre de en torno al 10 por ciento. Según Blekman, ese margen es demasiado amplio para poner a prueba las sutiles diferencias que prevén las nuevas teorías físicas, que solo se alejan ligeramente del modelo estándar.

La precisión de esas mediciones aumentará cuando tengamos más datos, y el LHC aún no ha recopilado más que una vigésima parte de la cantidad total de información que se espera que obtenga. Ver indicios de nuevos fenómenos en estudios de precisión es más probable que observar de forma directa una nueva partícula, opina Daniel de Florian, físico teórico de la Universidad Nacional de San Martín. «Durante el próximo decenio, o más, el quid de la cuestión es la precisión.»

2. ¿Interactúa el bosón de Higgs con partículas más ligeras?

Hasta el momento, las interacciones del bosón de Higgs parecen ajustarse al modelo estándar, pero los físicos solo lo han visto descomponerse en las partículas más masivas, como el quark fondo (o b, del inglés bottom). Ahora quieren comprobar si interactúa del mismo modo con las partículas de las familias (o «generaciones») más ligeras.

En 2020, CMS y ATLAS observaron una de esas interacciones: la inusual desintegración de un bosón de Higgs en un par de muones, partículas similares al electrón, pero pertenecientes a la segunda generación. (El electrón pertenece a la primera, y el quark fondo, a la tercera.) Aunque eso constituye un indicio de que la relación entre la masa y la intensidad de la interacción también se cumple para partículas más ligeras, se precisan más datos para confirmarlo.

3. ¿Interactúa el bosón de Higgs consigo mismo?

El bosón de Higgs tiene masa, así que debería interactuar consigo mismo [dado que las partículas adquieren su masa a través de la interacción con el campo de Higgs]. Pero esas interacciones (por ejemplo, la desintegración de un bosón de Higgs muy energético en dos que los sean menos) son muy infrecuentes, porque todas las partículas implicadas son muy pesadas. ATLAS y CMS esperan hallar indicios de tales interacciones tras la siguiente mejora del LHC (que se llevará a cabo entre 2026 y 2029), pero es probable que se necesite un colisionador más potente para obtener pruebas concluyentes.

El ritmo al que se producen esas autointeracciones es crucial para entender el universo, apunta Mccullough. La probabilidad de autointeracción viene determinada por la manera en que cambia la energía potencial del campo de Higgs cerca de su mínimo, que describe las condiciones justo después de la gran explosión. Así que saber más sobre la interacción del bosón de Higgs consigo mismo podría ayudar a los científicos a comprender la dinámica del universo temprano, expone Mccullough. Gröber añade que muchas teorías que intentan explicar por qué la materia se volvió más abundante que la antimateria requieren autointeracciones del bosón de Higgs que difieren de la predicción del modelo estándar hasta en un 30 por ciento. «No puedo dejar de insistir en la importancia» de esta medición, subraya Mccullough.

4. ¿Cuál es la vida media del bosón de Higgs?

Los físicos quieren conocer la vida media del bosón de Higgs, es decir, cuánto perdura, en promedio, antes de descomponerse en otras partículas. Y es que cualquier desviación de las predicciones podría apuntar a interacciones con partículas desconocidas, como las que componen la materia oscura. Pero esa vida media es demasiado corta para medirla directamente.

Para determinarla de forma indirecta, los físicos observan la dispersión, o «anchura», de la energía de la partícula a lo largo de múltiples mediciones, puesto que la incertidumbre en la energía debería ser inversamente proporcional a la vida media, de acuerdo con el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica. El año pasado, los científicos de CMS realizaron su primera medida aproximada de la vida media del bosón de Higgs: 2,1 × 10-22 segundos. Los resultados sugieren que la vida media es compatible con las predicciones del modelo estándar.

5. ¿Es cierta alguna predicción «exótica»?

Algunas teorías que amplían el modelo estándar predicen que el bosón de Higgs no es fundamental, sino que está formado por otras partículas, como el protón. Otras postulan que hay varios bosones de Higgs, que se comportan de forma similar pero difieren, por ejemplo, en la carga eléctrica o el espín. Además de comprobar si el bosón de Higgs es realmente la partícula que contempla el modelo estándar, los experimentos del LHC buscarán las propiedades que predicen otras teorías, incluidas algunas desintegraciones en combinaciones prohibidas de partículas.

Los físicos no están sino comenzando a comprender el campo de Higgs, cuya naturaleza única lo convierte en «una ventana a la "nueva física"», concluye De Florian. «Hay muchas razones para emocionarse.»

Elizabeth Gibney/Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group

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