Bosón de Higgs para legos.

Me piden que haga una entrada explicando el bosón de Higgs. Y los deseos de los pocos pero selectos lectores de NMSP son ordenes para mi. A veces. Así que vamos a hacer una especie de resumen, sin muchas pretensiones, aviso, sobre que significa la existencia de esta partícula, porqué es tan importante para la Física, y que se cuece en el CERN en estos días, en los que parece que ya hay al menos indicios serios de que pueda haber sido localizado.

Y para empezar un aperitivo. Se trata de un video producido por el Fermilab donde se explica llanamente en que consiste el Bosón de Higgs (fuente).

Partículas subatómicas

Como se puede ver, más naive no se puede ser en el vídeo anterior, pero detrás de esta explicación hay toda una evolución científica. Para empezar, ¿qué diablos es un bosón? Pues es uno de los tipos de partículas fundamentales de la naturaleza, que se caracterizan por tener un espín entero (1, 2…), que de una manera intuitiva viene a significar que tienen un momento angular intrínseco. El otro grupo de partículas fundamentales serían los fermiones que tienen un espín semi-entero (1/2, 3/2…). Esta clasificación de las partículas entre fermiones (espín fraccional) y bosones (espín entero), como no podía ser menos, no es baladí. El comportamiento físico de ambos tipos de partículas es muy distinto, unas obedecen la estadística de Bose-Einstein, y no están restringidas por el Principio de exclusión de Pauli, y por tanto pueden ocupar simultáneamente los mismos niveles cuánticos (niveles de energía), cosa que no pueden hacer los fermiones, que por su parte obedecen la estadística de Fermi-Dirac. Todo esto es la base de lo que viene ahora y ya se sabía en la primera mitad del siglo XX, y era de una manera u otra, consecuencia de la aplicación de la Mecánica Cuántica a las partículas subatómicas conocidas por aquel entonces (protones/partículas alfa, electrones/partículas beta y neutrones).

Pero en la segunda mitad del siglo XX llegaron los aceleradores de partículas, y como suele ocurrir en Física, se descubrió que las partículas subatómicas conocidas, no eran tan fundamentales como se pensaba, sino que a su vez estaban formabas por otras partículas más fundamentales, que se llamaron quarks y leptones. Los quarks vendrían a ser los constituyentes fundamentales de las partículas nucleares, protones y neutrones, y solo existen en combinación para formar otras partículas. Los leptones serían los constituyentes fundamentales de los electrones y los neutrinos, tan fundamentales que dichas partículas en si mismas son leptones. Y llegados a este punto es imposible continuar sin hacer una parada en cuáles son la interacciones fundamentales de la materia, y que modelos explican estas interacciones.

Interacciones Fundamentales

En Física siempre ha sido una pilar básico la comprensión de las interacciones entre los diferentes componentes de la Naturaleza, según estas han ido siendo definidas. En la actualidad consideramos que son cuatro los tipos de interacciones que actúan en el Universo: nuclear fuerte (responsable de mantener unidos a protones y neutrones dentro del núcleo), nuclear débil (responsable de la desintegración beta), electromagnética (interacción entre partículas cargadas) y gravitatoria (que describe la fuerza de atracción que se producen entre los cuerpos con masa).

Pero la Física no se conforma con el conocimiento de cada una de estas interacciones, el objetivo último es encontrar una teoría que unifique estas cuatro interacciones/teorías en una sola, y esto no se ha conseguido. Sin embargo se acepta como el mayor acercamiento a este objetivo (por el momento), el Modelo Estándar de la Física de Partículas. Este modelo está basado en la Teoría Cuántica de Campos, y considera que las interacciones se producen por mediación de una partícula portadora, que se conocen con el nombre genérico de bosones de gauge. De tal manera que los fotones serían las partículas encargadas de la interacción electromagnética, los gluones serían los encargados de la interacción nuclear fuerte,  los gravitones, partícula de momento hipotética,  serían los responsables de la interacción gravitatoria, y las partículas W± y Zº, portadoras de la fuerza débil. En resumidas cuentas, el Modelo Estándar a trazo grueso se puede resumir en el siguiente gráfico:

Es importante resaltar que esto es una explicación muy por encima de los aspectos esenciales de la Física de partículas en general y del Modelo Estándar en particular, y cualquiera que haya visitado los enlaces a la wikipedia que he ido poniendo, y no digamos ya a los enlaces que aparecen en cada artículo se dará cuenta que lo que se cuece por dentro es mucho más complejo, e incluye muchos otros aspectos avanzados, que creo que sin embargo no son esenciales para tener una idea aproximada de lo que nos traemos entre manos.

Cabe también destacar que el Modelo Estándar es un modelo más (quizá el más sólido por el momento), entre los que los físicos teóricos y físicos de altas energías manejan hoy en día. Respecto a otras teorías como la Teoría de Supercuerdas y la Teoría M, tiene la ventaja de que se han demostrado empíricamente gran parte de sus predicciones teóricas. Por ejemplo los bosones W y Z , los Gluones y ciertos quarks predichos por el modelo, han sido detectados con gran resolución en los aceleradores de partículas, especialmente en el CERN. Sin embargo uno de los problemas que todavía no se ha solucionado, es que una de las partículas que predice, el famoso bosón de Higgs, no ha sido todavía detectado.

¿Porqué es tan importante el bosón de Higgs?

Si nos fijamos en los bosones de gauge de los que hablábamos antes, los tenemos de tres tipos (obviando los hipotéticos gravitones): fotones y gluones (sin masa), y W y Z  (con masa). O en términos de interacción (o fuerza) tenemos portadores del campo electromagnético (los fotones), de la fuerza nuclear fuerte (gluones), de la fuerza nuclear débil (W y Z), e hipotéticamente los portadores del campo gravitatorio (los gravitones). Sólo hay un fleco importante en este tinglado ¿de dónde viene la masa? ¿Porqué unos bosones de gauge tienen masa y otros no? Para ello Peter Higgs postuló la existencia de el mecanismo de Higgs, que supondría el origen de la masa de los bosones W y Z, y que implicaba la existencia de una nueva “partícula portadora” del campo de Higgs, que como no podría ser de otra manera, se denominó bosón de Higgs. Por tanto, y si el Modelo Estándar es correcto, la interacción con este campo de Higgs sería lo que explicaría porqué algunas partículas tienen masa (interaccionan con este campo) y otras no tienen masa (no interaccionan con el). Por tanto la importancia de encontrar evidencia empírica de la existencia del bosón de Higgs, aparte de “cerrar” el Modelo Estándar de la Física de partículas, significaría conocer el origen de toda la masa del Universo.

¿Se ha encontrado el bosón de Higgs?

La formulación teórica del mecanismo de Higgs y de sus consecuencias para la Física de Partículas data de los años sesenta. La masa del bosón de Higgs no viene determinada por el Modelo Estándar porque depende de como interaccione consigo mismo, por tanto hay todo un rango de masas (o energías) en el cual buscar el bosón de Higgs (114,4 GeV e inferior a 145 GeV), con la dificultad añadida de que la vida media de desintegración es muy pequeña, del orden de los yoctosegundos (10−24 s), y por ello la detección de la partícula no ha sido posible hasta que no se han diseñado y construido los grandes aceleradores de partículas actuales.

Primero fue el Fermilab norteamericano, que hasta la construcción del LHC (Gran colisionador de Hadrones) del CERN, fuel el acelerador más grande del mundo, y como tal fue capaz de confirmar experimentalmente la existencia de los quarks top y bottom, y el neutrino tauónico. También fue capaz de acotar el rango energético (o de masas) del propio bosón de Higgs, o mejor dicho definir un rango de energías donde con alta probabilidad, no se podría encontrar la partícula (fuente):

Y hasta ahí llegó el Fermilab, o mejor dicho su acelerador de partículas el Tevatrón, antes de cerrar el pasado septiembre.

Pero la aventura continua, porque el relevo al acelerador de partículas norteamericano estaba ya a pleno funcionamiento el año pasado a la caza de la misma esquiva partícula, el acelerador de partículas del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) y sus detectores correspondientes ATLAS (Aparato Toroidal del LHC) y CMS (Solenoide Compacto de Muones).

La noticia saltó el pasado 13 de diciembre, cuando se presentaron los primeros análisis (pdf en español) de las colisiones producidas durante el 2011. ¿Se afirma que se haya encontrado el boson de Higgs? Pues no. Concretamente la comunicación oficial concluye lo siguiente (extraído del PDF enlazado anteriormente):

Nuestros resultados preliminares, para varios niveles de confianza estadística excluyen la existencia del bosón de Higgs SM en un amplio intervalo de posibles masas:

  • 127 a 600 GeV a un nivel de confianza del 95%
  • 128 a 525 GeV a un nivel de confianza del 99%

Con la cantidad de datos recopilados hasta el momento es difícil discriminar en esta región de baja masa entre las hipótesis de existencia e inexistencia de una señal de Higgs. El exceso de sucesos observado podría ser una fluctuación estadística de los procesos de fondo conocidos, ya sea con presencia o no de dicho bosón de Higgs. Las muestras de datos que se recogerán en 2012 reducirán la incertidumbre estadística, lo que nos permitirá llegar a una conclusión clara sobre la posible existencia, o no, del bosón de Higgs SM en esta región de masas.

Dicho en otras palabras, el resultado de la interpretación de las colisiones analizadas hasta el momento, no permite concluir la existencia o no del bosón de Higgs. Cuando se refieren al bosón de Higgs SM, se están refiriendo a la partícula predicha por el Modelo Estándar, más que nada porque hay modelos distintos que aceptan la existencia de la partícula de Higgs, como es el caso de la teoría de supersimetría (cariñosamente conocida como SUSY), y lo que se busca en este caso es confirmar el Modelo Estándar.

Gráficamente los resultados se pueden entender muy bien examinando este gráfico:

Por tanto podemos ver la botella medio llena, y decir que con alta probabilidad el bosón de Higgs aparecerá más pronto que tarde en el rango en torno  a los 120 GeV; o ver la botella medio vacía y decir que las pocas probabilidades de que aparezca el bosón de Higgs sería en ese estrecho intervalo. ¿Y cómo esta la botella? Pues a mi me gusta la visión optimista que aúna las dos: la botella está llena en los dos casos (la mitad de líquido y la otra mitad de aire), si no se confirma la existencia del bosón de Higgs, será el comienzo (o la continuación) de nuevas teorías (y no tan nuevas) para avanzar en el conocimiento de la naturaleza; y si por el contrario, se termina confirmando la existencia habremos dado un paso de gigante hacia una teoría completa que defina como un todo el funcionamiento del universo, desde lo más pequeño como las partículas subatómicas, a lo más grande como los cúmulos de galaxias. Y de paso habremos subido otro peldaño más para saber como se pasó de uno a otro estadio de la materia.

Nota 1.- Si a alguien le resulta extraño la medida de masas en GeV/csimplemente que se acuerde de la famosa relación de Einstein E=mc2 y que despeje la masa 😉

Nota 2.- He evitado en todo momento el hablar de la partícula de Dios en referencia al boson de Higgs porque según parece Peter Higgs era un consumado ateísta y no le hacía gracia el sobrenombre. A mi tampoco.

Recursos y lecturas interesantes

En aras de la sencillez he enlazado mayoritariamente a entradas de wikipedia en español. Para el lector que quiera profundizar, considero que wikipedia es un buen punto de inicio, tanto por sus enlaces internos como externos. En todo caso, se puede encontrar más información relevante en estos enlaces seleccionados:

– CERN on Twitter

A la caza del bosón de Higgs en el CMS.

ATLAS experiment.

– El bosón de Higgs por Álvaro de Rújula, CSIC, UAM, CERN y Boston University.

– En la blogosfera española el primer sitio que se debe visitar para profundizar en estos temas, es el blog Francis (th)E mule Science’s News, y concretamente su sección dedicada al bosón de Higgs, y su última entrada al respecto: Lo que los medios deberían contar de la conferencia de ayer en el CERN sobre el bosón de Higgs.

Modelo Estándar en acercándonos al LHC.

– Nunca está de más visitar el blog de un experto en supercuerdas, Luboš Motl de The Reference Frame, y ver lo que piensa del bosón de Higgs.

– El bosón de Higgs en Hyperphysics

– Seguimiento de noticias en Google.

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