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14 de Octubre de 2013
Física de partículas

¿Por qué el higgs pesa 126 GeV?

Un congreso reúne en Madrid a un centenar de expertos para debatir sobre un número que desconcierta a los físicos teóricos.

La masa observada del bosón de Higgs plantea todo tipo de preguntas fundamentales. Un centenar de físicos teóricos de todo el mundo se reunieron recientemente en Madrid para analizar las posibles respuestas. [Pablo G. Cámara, adaptado de phdcomics.com]

La semana pasada la Academia Sueca rindió homenaje al mecanismo de Higgs, un esquema teórico propuesto hace casi cincuenta años para explicar por qué las partículas elementales poseen masa. Aquel modelo matemático predecía la existencia de una nueva partícula elemental: el hoy mundialmente famoso bosón de Higgs. Tras largos decenios de búsqueda, la anhelada partícula fue finalmente detectada el año pasado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.

Sin embargo, aunque la existencia del bosón de Higgs parecía un requisito necesario para que todo encajase en el modelo estándar, hasta hoy nadie conoce ningún principio fundamental que dicte cuánto debería valer su masa. Los físicos del CERN dieron el año pasado una respuesta empírica a dicha pregunta: 126 gigaelectronvoltios (GeV). Ese valor, sin embargo, parece escogido a propósito para dar dolores de cabeza a los físicos teóricos.

Las razones para ello son varias. Por un lado, si se acepta que el modelo estándar describe todas las partículas e interacciones existentes en la naturaleza salvo la gravedad, la masa del bosón de Higgs no debería ser del orden de 100 GeV, sino 10.000 billones de veces mayor. Ello se debe a que las leyes de la teoría cuántica de campos dictan que la masa de una partícula como el higgs tendría que ser próxima a la escala a la que comiencen a aparecer nuevos fenómenos físicos. Por tanto, si la única física más allá del modelo estándar es la gravedad, la masa de la partícula debería ser del orden de la escala de Planck; es decir, unos 1018 GeV. Este problema, bien conocido desde hace tiempo por los físicos teóricos, recibe el nombre de «problema de las jerarquías».

Pero, además, la masa observada del higgs parece hallarse en la frontera de un cataclismo cósmico. Si se extrapolan las leyes conocidas de la física a energías más elevadas, un bosón de Higgs con una masa menor de unos 130 GeV implicaría que nuestro universo no sería completamente estable. Eso quiere decir que, antes o después, el cosmos tal y como lo conocemos desaparecería y dejaría paso a otras leyes de la física. 

A nadie le preocupa que eso vaya a pasar mañana (el tiempo de vida medio del estado metaestable en el que nos encontraríamos se estima mucho mayor que la edad del universo), pero que la masa del higgs se halle tan próxima al límite de la estabilidad de las leyes físicas parece pedir a gritos una explicación.

A finales del pasado mes de septiembre, más de un centenar de expertos de todo el mundo se reunieron en el Instituto de Física Teórica UAM-CSIC de Madrid para abordar la cuestión. «La pregunta afecta a científicos que trabajan en áreas tan diversas como fenomenología, la cosmología o la teoría de cuerdas, por mencionar algunas», explica Pablo González Cámara, investigador del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona y uno de los organizadores del evento. «La idea era juntar durante unos días a científicos de prestigio internacional provenientes de distintos campos y con diferentes ideas sobre la física que puede estar detrás del higgs.»

Partículas supersimétricas

Desde hace más de tres décadas, la razón preferida por la mayoría de los físicos para explicar la masa del higgs es la supersimetría. Propuesta durante los años setenta, su nombre se debe a que se trata de una extensión muy natural de las simetrías matemáticas que reflejan las propiedades del espaciotiempo.

«Una versión supersimétrica del modelo estándar implica la existencia de nuevas partículas, las cuales hacen que las correcciones cuánticas a la masa del higgs queden bajo control», explica Luis Ibáñez, catedrático de física teórica de la Universidad Autónoma de Madrid y otro de los organizadores del congreso. Hace poco el investigador recibió una de las prestigiosas becas Advanced Grant, del Consejo Europeo de Investigación, la cual permitió financiar el evento.

«Las extensiones supersimétricas del modelo estándar predicen la existencia de al menos un bosón de Higgs ligero con una masa menor de 130 o 140 GeV», señala González Cámara. «Tienen además otros aspectos muy atractivos, como la unificación de las interacciones en torno a 1016 GeV o la presencia de candidatos naturales para explicar la materia oscura.»

Sin embargo, aunque la masa observada del bosón de Higgs se halla dentro de los límites predichos por la supersimetría, hasta ahora las partículas supersimétricas se niegan a aparecer en el LHC. «Todo parece indicar que la escala de energías a la que la supersimetría se haría evidente es relativamente alta, de varios TeV [miles de GeV]. Sin embargo, a tales energías, la supersimetría por sí sola comienza a no ser una solución completamente satisfactoria al problema de las jerarquías», continúa González Cámara.

«El LHC se encuentra todavía en una etapa muy temprana», prosigue el investigador. «Pero si tuviéramos que extraer ya una conclusión, quizás sería que el modelo estándar funciona mejor de lo que muchos pensábamos y que la escala de la nueva física es relativamente alta.» No sería la primera vez que los físicos enfrentan una situación similar: «A principios de los años ochenta muchos pensaban que la masa del quark top sería de unos pocos GeV y que su descubrimiento estaba a la vuelta de la esquina. Sin embargo, este no llegó hasta 1995, y su masa resultó ser de 173 GeV», recuerda González Cámara.

Por su parte, Ibáñez no descarta que las partículas supersimétricas comiencen a aparecer dentro de poco: «En mi opinión, las teorías supersimétricas siguen siendo las más elegantes y prometedoras como extensión del modelo estándar. Si es así y si las partículas supersimétricas son lo suficientemente ligeras para ser producidas en el LHC, deberían de poder observarse dentro de dos o tres años».

Otras soluciones

Durante el congreso, los organizadores llevaron a cabo una encuesta informal entre los participantes para motivar la discusión de clausura. Ante la pregunta de cuál podría ser la solución al problema de las jerarquías, el 22 por ciento respondió que tal vez dicho problema no existiese; en su lugar, sería fruto de una mala interpretación de la teoría cuántica de campos.

¿A qué se referían quienes planteaban esa opción? «¡Eso me gustaría saber!», replica Ibáñez. «Creo que se refieren a la posibilidad de que haya una nueva simetría de invariancia de escala que de alguna manera haga imposibles las fuertes correcciones cuánticas. Sin embargo, no existe en mi opinión ninguna teoría coherente con dichas características.»

«Mi impresión es que hay una situación de ligero desconcierto. Quizá no estamos entendiendo algo bien», opina González Cámara. «En esa dirección cabe mencionar también las propuestas antrópicas de un sector de la comunidad, en la línea de la solución que el premio nóbel Steven Weinberg propuso para explicar la constante cosmológica. Tal vez el universo en el que vivimos no sea natural desde el punto de vista de todos los universos posibles, pero sí que lo sea si nos restringimos a universos con características compatibles con la existencia de seres que puedan plantearse este tipo de preguntas.»

Sin duda, la posibilidad de que el modelo estándar no describa más que un estado pasajero de las leyes físicas lleva a plantearse que tal vez este no sea el universo más adecuado para preguntarse si las leyes físicas son naturales o no.

  • Regímenes de estabilidad del vacío (colores) y valores experimentales de las masas del quark top y el bosón de Higgs. [Degrassi et al., arXiv:1205.6497]

«Con los datos que tenemos se puede decir que, si el modelo estándar es correcto, el vacío seria metaestable», explica Ibáñez. «Es decir, en un momento del futuro habría una transición de fase que destruiría el universo tal como lo conocemos. Pero el tiempo requerido puede ser extremadamente grande, probablemente irrelevante para la historia futura de la humanidad». González Cámara subraya además que dicho cálculo presupone que el modelo estándar sería válido hasta energías cercanas a la escala de Planck, «y esto último es quizás un poco radical».

La teoría de cuerdas y el futuro del LHC

Ibáñez y González Cámara son reconocidos expertos en teoría de cuerdas. Al respecto, la última pregunta de la encuesta que se hizo a los participantes planteaba si dicha teoría se revelaría como la teoría final de la naturaleza. El 27 por ciento de ellos respondieron que no, un porcentaje idéntico contestó que sí, y la mayoría (el 46 por ciento) replicó que en cualquier caso era un paso en la dirección correcta.

Ibáñez se muestra optimista: «La teoría de cuerdas es muy probablemente la teoría final. Tiene una consistencia matemática absolutamente sorprendente. ¿En que se diferencia de una rama de la matemática cualquiera? En que contiene justo los objetos que hay en el universo: la gravedad aparece como una consecuencia necesaria, contiene bosones intermediarios análogos al fotón, materia parecida a los quarks y los leptones, y escalares elementales como el higgs. Además, es capaz de combinar la teoría de la gravedad de Einstein con la mecánica cuántica de forma coherente. En mi opinión, la probabilidad de que por pura casualidad exista tal estructura matemática con justo los ingredientes necesarios para describir el universo es cero».

Por último, ¿qué hacer si la esperada nueva física no aparece dentro de poco? «El LHC ha terminado su primera etapa de las cuatro que por el momento hay planificadas, por lo que podemos decir que se encuentra en plena adolescencia», señala González Cámara. «Pero si dentro de 15 o 20 años se diera el caso de que el LHC no ha encontrado nada más allá del modelo estándar, sería un gran error no seguir explorando la naturaleza. Por poner una analogía de lo que esto significa, Europa y América nunca habrían tenido conocimiento sobre su existencia mutua si los navegantes de la época hubieran decidido darse la vuelta tras navegar algunos cientos de kilómetros, arguyendo que "solo" hay mar y que no merece la pena continuar explorando», concluye.

Más información sobre el congreso (incluye los vídeos de las presentaciones de los ponentes) en la página web del IFT-UAM/CSIC.

Un artículo reciente que resume de manera sencilla el problema de la masa del higgs a la vista de los resultados obtenidos hasta ahora por el LHC es «Naturalness after LHC8», del investigador del CERN Gian Francesco Giudice, arXiv:1307.7879

—IyC

 

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