¡Ay, con el bosón de Higgs!

Peter Higgs, de 83 años, es el primero de la derecha

LA NOTICIA CIENTÍFICA:

Investigadores del experimento CMS del Gran Colisionador de Hadrones del CERN (LHC) han presentado en un seminario conjunto del CERN y de la conferencia “ICHEP 2012” en Melbourne sus últimos resultados preliminares de la búsqueda del bosón de Higgs del Modelo Estándar (SM), usando datos registrados hasta junio de 2012.

CMS observa un exceso de sucesos alrededor de una masa de unos 125 GeV con una significación estadística de cinco desviaciones estándar (5 sigmas) por encima del fondo esperado. La probabilidad de obtener un exceso semejante a partir de una fluctuación proveniente únicamente del fondo es cercana a una parte en tres millones.

El hallazgo es interpretado como la producción de una nueva partícula con una masa cercana a 125 GeV.

Los datos de CMS también excluyen la existencia de un bosón de Higgs del SM en los intervalos 110-122.5 GeV y 127-600 GeV con un nivel de confianza del 95%.

Los resultados obtenidos en los diversos canales de búsqueda son coherentes con lo esperado para un bosón de Higgs del SM dentro de las incertidumbres estadísticas y sistemáticas. Sin embargo, se necesitan muchos más datos para establecer si esta nueva partícula tiene todas sus propiedades o si por el contrario algunas discrepan con lo esperado, lo que implicaría el desarrollo de una nueva física más allá del modelo estándar. Fuente: Comunicación Científica (resumen) publicado por el CERN.

UN POCO DE HISTORIA:

En la década de los sesenta la Física desarrolló su teoría fundamental de la composición de la materia y de sus fuerzas básicas, conocida como Modelo Estándar. Un ingrediente esencial de esta teoría era el mecanismo por el que se origina la masa. Este consistía en la existencia de un campo universal, al cual las partículas se acoplan, siendo la masa una medida de la magnitud de ese acoplamiento. La teoría era debida al físico escocés Peter W. Higgs y los físicos holandeses Robert Brout y François Englert, que junto con otros como Tom Kibble y sus colaboradores la desarrollaron. Un componente de este campo universal es el denominado bosón de Higgs. Hasta ahora era el único componente del Modelo Estándar que ha resistido su observación en los casi 50 años de historia de la teoría.

Imagen digital de una de las colisiones

Si bien los resultados mostrados son consistentes con la existencia del bosón de Higgs, aún no es posible considerarla probada. Para ello no basta la observación de algo compatible, sino que se requiere estudiar sus propiedades con precisión. Ello insumirá el esfuerzo continuado de los físicos del LHC durante los próximos años y, según se afirma, la construcción y explotación de un nuevo acelerador lineal electrón-positrón (o anti electrón), que se está diseñando a nivel mundial.
La ventaja de este tipo de colisionador con respecto al LHC es que los electrones y su antipartícula, el positrón, son realmente elementales en cambio los protones y antiprotones que chocan en el CERN están formados por quarks y, en consecuencia, la colisión efectiva es solo parcial y surgen de ella muchas otras partículas que interfieren ya que se llevan buena parte de la energía disponible. Es similar a lo que sucede cuando dos cuerpos chocan y se rompen en pedazos en razón de poseer una estructura interna formada por partes que se separan por causa de la colisión.

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EL MODELO ESTÁNDAR:

El modelo estándar de la física de partículas es una teoría que describe las interacciones fundamentales conocidas entre las partículas elementales que componen toda la materia.
Es una teoría cuántica de campos desarrollada entre 1970 y 1973 que está de acuerdo con la mecánica cuántica y la relatividad especial. Sin embargo, el modelo estándar no alcanza a ser una teoría completa de todas las interacciones fundamentales debido a que no incluye la gravedad, la cuarta interacción fundamental conocida. En otras palabras, de los descubrimientos de Einstein el SM toma solo una parte y no la más importante.

El modelo estándar se puede dividir en tres capítulos que abarcan: las partículas elementales de la materia; las partículas mediadoras de las fuerzas, débiles y fuertes y el electromagnetismo; y el bosón de Higgs.

Son partículas materiales, por ejemplo, el electrón y el protón, aunque este último no es elemental ya que está formado por quarks que si lo son (ver infografía). Las partículas mediadoras de las fuerzas, se relacionan con los campos que las producen. Por ejemplo, el fotón, es la partícula mediadora del campo electromagnético el que, entre otras cosas, mantiene unidos a los electrones con los núcleos formando los átomos. Los gluones son las partículas que, en el interior del núcleo, intermedian la fuerza o campo fuerte que mantiene unidos a los quarks que forman los protones y neutrones.

El modelo estándar prevé la existencia de un campo de fuerzas, llamado campo de Higgs, a partir del cual todas las partículas existentes adquieren la propiedad que denominamos masa. La partícula mediadora de este campo es el bosón de Higgs y se espera que su masa sea muy grande comparada con las restantes partículas elementales detectables. Tan grande es que a él solito le corresponde un valor teórico del orden de la masa total de un átomo situado por el medio de la tabla periódica.
A nivel de los átomos y las partículas que los componen, la masa no se mide en gramos ya que resultaría una cifra demasiado pequeña y totalmente inadecuada. Se mide en tera, giga o mega electrón voltios (eV) y un GeV es un millón de electrón-voltios. El eV es una medida de la energía que adquiere un electrón cuando lo acelera una diferencia de potencial de un voltio, hay que recordar que masa y energía según la relatividad restringida de Einstein son equivalentes (E=mc2).
El fotón y la partícula de Higgs tienen en común que son bosones, es decir partículas cuyo spin es cero. Pero son muy diferentes por el hecho de que el fotón no tiene masa. Hay otros bosones que si la tienen, no tanta como el de Higgs, pero si en el grado necesario para representar un problema teórico. Estos son los bosones mediadores de la desintegración de los núcleos atómicos (en la que interviene la fuerza o campo débil), conocidos como W (~80 Gev) y Z (~91 Gev). Si bien estas partículas tienen, fuera del núcleo de los átomos, una vida extremadamente corta, se han detectado y su masa se ha podido determinar con bastante precisión. La teoría vigente supone que obtienen su masa -como todas las restantes- del campo de Higgs. El único bosón previsto por el modelo estándar que faltaba detectar es el de Higgs.

Quizás por ser tan importante para la confirmación del modelo y por ser tan esquivo, a alguien se le ocurrió llamarlo "la partícula de dios" como si la comprobación de su existencia nos abriese la puerta al conocimiento del universo. Pretenciosos sin temor de hacer el ridículo, cuando el objetivo real es convencer a muchos incrédulos del beneficio de un dudoso negocio -en este caso a los contribuyentes que financiaron el enorme LHC- nunca faltan, especialmente entre aquellos que medran en torno a los científicos "de punta". Entre tanto numerosos científicos de gran parte del mundo, entre ellos investigadores argentinos, participan de los grupos que llevan a cabo los experimentos del CERN.

Como se ve Dios no ha hecho -hasta ahora- su aparición en el modelo estándar. Quizás puede estar en todas partes y en ninguna a la vez. De momento los físicos tienen por delante una gran tarea, mucho más terrenal que hallar huellas de la presencia de dios; que apenas han comenzado y ya no se ponen de acuerdo: incluir a la teoría general de la relatividad de Einstein en una verdadera teoría del todo respecto del universo físico, hasta que eso no se logre, incluso confirmando la existencia de la última partícula que faltaba en el esquema estándar, aún queda un campo, el gravitatorio, fuera de la teoría. En consecuencia, continúa incompleta.

bastadeodio