Supongo que todos -o casi todos- habéis oído hablar durante este verano del denominado ''Bosón de Higgs'' debido al revuelo que se lió con su supuesta detección experimental este verano. Era de esperar, porque de ser real, ha sido sin ninguna duda el descubrimiento más importante en física fundamental de los últimos 20 años.
Al margen de lo que uno haya podido escuchar en las informativos, me propongo explicar con algo más de detalle qué es el Bosón de Higgs y por qué es tan importante su descubrimiento. Para ello me voy a valor de un propio monográfico que hice yo mismo junto a la periodista Nair Cuéllar Beato, con el que ganamos el último concurso sobre divulgación científica convocado por la Universidad Complutense de Madrid, en la modalidad de monográfico científico.
EL PUZLE DE LA MATERIA EN 27 Km.
««««««««««««««««««««««« resumen
En los últimos meses, con la puesta en marcha del LHC, se ha desatado una gran expectación por la estructura fundamental de la materia, más concretamente sobre el Bosón de Higgs, que sería la pieza restante en el puzle del Modelo Estándar.
«««««««««««««««««««««««« a fondo
Ya Aristóteles decía que nuestro mundo estaba formado por una entidad que no podía dividirse más, y a eso lo llamó átomo, y así empezó la historia de la búsqueda de la estructura de la materia. Empezando por el modelo atómico de Dalton, que explicaba los compuestos químicos a partir de combinaciones de estas entidades, hasta llegar al modelo mecano-cuántico de Schrödinger, que contempla al átomo con su carga positiva en el núcleo y los electrones deslocalizados en una especie de nube alrededor del mismo. A partir de entonces, los físicos se preguntaron si el núcleo tenía una subestructura; es decir, si los protones y los neutrones estaban a su vez compuestos por otras partículas, naciendo así la física de partículas o de altas energías.
Con la investigación realizada hasta el momento se ha conseguido estructurar un marco teórico que ha ido confirmándose a través de los experimentos cada vez más precisos. Dicho marco teórico es lo que se conoce hoy en día como Modelo Estándar de Partículas, que trata de explicar cómo está compuesta la materia. Podemos imaginar la materia como un gran pastel y su confección, teniendo en cuenta, así, los ingredientes y los utensilios para su elaboración. En este gran pastel los ingredientes serían los fermiones (constituyentes de la materia) y los utensilios serían los bosones gauge (mediadores de las interacciones fundamentales). Los fermiones (integrados por quarks y leptones) son capaces de interactuar entre sí mediante el intercambio de bosones gauge, al igual que uno utiliza los utensilios de cocina para mezclar los ingredientes del pastel. De esta forma el modelo es capaz de explicar por qué protones y neutrones están formados por quarks que interactúan entre sí mediante la interacción fuerte, explicando así qué compone el universo y cómo. El Modelo Estándar contempla, además, que cada fermión posee una partícula antagónica o antipartícula; es decir, con la misma masa, el mismo espín, pero con carga eléctrica contraria.
A nuestro pastel, sin embargo, le hace falta un ingrediente clave: el Bosón de Higgs. Igual que la levadura es imprescindible para que el pastel tome cuerpo, el Bosón de Higgs explicaría por qué las partículas que componen el universo adquieren masa. Este proceso de adquisición de masa se produce mediante la llamada ruptura espontánea de simetría, concretamente del sector electrodébil; es decir de la parte del Modelo Estándar que se encarga de explicar los procesos electromagnéticos (interacción de electrones y protones en el átomo, fuerzas de Van der Waals, etc.) y procesos débiles (radiactividad de algunos núcleos). Hasta ahora el candidato a desentrañar este proceso de ruptura espontánea de simetría ha sido el Mecanismo de Higgs, ya que es el más simple de entre toda una amalgama de teorías aspirantes a explicar este proceso.
La ruptura espontánea de simetría electrodébil dota intrínsecamente de masa a los bosones gauge electrodébiles, que son: W±, Z0; sin embargo, también es capaz de explicar la adquisición de masa de los fermiones (electrones, muones, quarks, etc.) mediante los denominados acoplamientos de Yukawa; es decir, que la adquisición de masa de toda la materia que nos compone se puede explicar mediante el hecho de que todas las partículas están inmersas en un Campo de Higgs. Para imaginar mejor este proceso nos vamos a valer del siguiente ejemplo: Imaginemos a todas las partículas viajando a la velocidad de la luz introduciéndose en un líquido, frenándose por el rozamiento de éstas con el mismo, lo que lleva a pensar que tienen masa.
El mecanismo de Higgs en sí predice la existencia de la partícula que mediaría el campo de Higgs (denominada Bosón de Higgs). El resto de partículas adquiere masa por este mecanismo, y además su masa viene determinada en función de la masa del Bosón de Higgs, ¿Y cuál es su masa? Éste es el único pero que tiene este mecanismo, pues no determina de forma unívoca la masa del propio Bosón de Higgs, con lo cual a modo de búsqueda de aguja en un pajar hay que encontrarlo en todo el rango de masas posibles, ardua tarea que tienen que llevar a cabo los físicos de partículas experimentales en sus laboratorios, y más concretamente en el LHC del CERN.
Es en el CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear) donde se estudia todo lo relacionado con la física de partículas, entre otras cosas, siendo así el mayor laboratorio experimental del mundo. Este centro nace el 29 de septiembre de 1954 bajo la firma de doce países (entre los que no se encontraba España) en el Noroeste de Génova (en la frontera franco-suiza), contando ahora con 20 Estados miembro (entre los que ya sí se encuentra nuestro país); como cifra significativa cabe destacar que la contribución económica para 2008 fue de 664 millones de euros. Fue tal su repercusión que en 1989 nació algo tan cercano para nosotros hoy, como es el www (World Wide Web), debido a que el Centro era de tales dimensiones y contaba con tantos científicos que necesitaban comunicarse de una forma rápida.
El Centro cuenta con una red de 6 aceleradores y un decelerador y cada una de estas máquinas se encarga de aumentar la energía de los haces de partículas antes de que sean enviados a los experimentos. De todo ello lo más importante actualmente es el LHC (Gran Colisionador de Hadrones), tanto por su magnitud de colaboraciones a nivel mundial como por los experimentos que en él se llevan a cabo, entre los cuales se encuentra la búsqueda del Bosón de Higgs. El LHC es un túnel a 100 metros bajo tierra que se encuentra entre las montañas Jura y el Aeropuerto de Génova y consta de 27 km. de circunferencia, utilizado, en sus orígenes, para el LEP (Gran Colisionador de Electrones y Positrones) y más de 34 países han participado en su construcción.
En el LHC se llevan a cabo siete experimentos distintos, como el CMS, ATLAS, ALICE, etc. Para llevarlos a cabo se necesitan unos 5.000 imanes -1.600 de ellos superconductores- enfriados por helio líquido, que consiguen que la temperatura para el óptimo funcionamiento de los experimentos sea de 1,9 K (unos 2 grados por encima del cero absoluto, -273,15 ºC). Una vez alcanzada esta temperatura, los imanes se encargan de hacer circular los haces de partículas a través de toda la trayectoria circular del complejo. Se envían dos haces paralelos de protones, cada uno en un sentido de la circunferencia, que se cruzan en cuatro puntos distintos. En estos cruces los protones que viajan en ellos tienen probabilidad de colisionar, desentrañando así los componentes de su estructura interna. Entre los muchos procesos que pueden tener lugar al mismo tiempo hay varias posibilidades de que entre los productos de los choques surjan Bosones de Higgs, para ello es necesario alcanzar energías en la escala TeV (1012 eV), cuya meta sería 14 TeV, cosa que parece que se conseguirá en los próximos años.
La ruptura de simetría que explicaría el Mecanismo de Higgs, y por tanto la existencia del Bosón de Higgs, sucede en la escala TeV, por ello es necesario colisionar haces de protones a esa energía, ya que de otra forma el fenómeno no surgiría y no habría forma de probar la existencia del Bosón. Al no predecir la teoría la masa concreta del mismo, debe barrerse todo el rango de posibles energías en el que se puede encontrar. Asimismo, se conocen cotas máximas y mínimas entre las que ha de encontrarse su masa, que es lo que se ha estado haciendo desde la puesta en marcha del LHC. Hasta el momento se han encontrado indicios, pero no de la magnitud de un descubrimiento, debido a la baja estadística de resultados.
El pasado 15 de diciembre el CERN dio un comunicado en el que anunciaba que los grupos ATLAS y CMS habían detectado los primeros indicios del Bosón de Higgs, con una masa en la región de 115 a 135 GeV (alrededor de 100 veces la masa del protón). Por otra parte, los grupos CDF y DZero del Tevatrón –acelerador de partículas del Fermilab ubicado en el estado de Illinois de Estados unidos- también encontraron indicios aproximadamente en la misma horquilla de energías, pero con un método distinto al anterior. Tendremos que esperar hasta finales de este año para saber si los datos acumulados registran la suficiente confianza como para poder proclamar la existencia del Bosón de Higgs.
No hay ninguna razón en especial para esperar su existencia, ya que los indicios encontrados podrían ser fluctuaciones estadísticas en los datos registrados. El Mecanismo de Higgs es el más asequible desde un punto de vista teórico, pero ello no quiere decir que sea el verdadero, puesto que hay otras alternativas que también explicarían la ruptura de simetría electrodébil. Es en ello en lo que ha trabajado el investigador Antonio Dobado González y su grupo de investigación Teorías Efectivas en Física Moderna, del Departamento de Física Teórica I, de la Facultad de Ciencias Físicas de la UCM. Concretamente han trabajado en un modelo alternativo denominado Little Higgs, que consiste, grosso modo, en que el Bosón de Higgs es un pseudo-bosón que nace a partir de la ruptura de una simetría global (que no depende del punto en concreto del espacio-tiempo), al contrario que el Mecanismo de Higgs, que surge de la ruptura de una simetría local (que sí depende de ese punto del espacio-tiempo en concreto). Otros modelos alternativos son, por ejemplo, Technicolor, Dimensiones Extra, Condensados de Quark Top, etc.
Este año se vislumbrará la existencia o no del Bosón de Higgs, y en caso de no existir no se podría considerar un fracaso, puesto que el objetivo del LHC es desentrañar el engranaje de la ruptura de simetría electrodébil. Además, el LHc tiene otros objetivos paralelos a este, como son la Supersimetría –una extensión del Modelo Estándar-, la existencia de Dimensiones Extra –basadas en modelos de Teoría de Cuerdas-, o la naturaleza de la Materia Oscura. Sobre estas materias también investigan los grupos de Teorías Efectivas en Física Moderna y Campos y Cuerdas, también pertenecientes al Departamento de Física Teórica I.
Y como el monográfico lo tuvimos que presentar por Marzo, aún no se habían proclamado los últimos resultados que anunció el CERN el 4 de Julio, donde ambos grupos, CMS y ATLAS, hablaban del descubrimiento de una nueva partícula bosónica compatible con el Bosón de Higgs del Modelo Estándar, con un nivel de confianza de 5 desviaciones estándar.
Con todo, esta nueva partícula es compatible, no solo con el Bosón de Higgs del Modelo Estándar Mínimo (el primero que se propuso, y el que introduce menos entes nuevos), pero también es compatible con otros modelos, como pueden ser Supersimetría, modelos con varios dobletes de Higgs; entre otros tantos modelos con menos fuelle. Por todo esto, ahora llega una etapa donde el análisis de los datos recogidos es fundamental ya que se tienen que comprobar las propiedades exactas de esta nueva partícula para corroborar o desmentir cuál es la teoría verdadera que describe nuestra naturaleza.
Con todo, esta nueva partícula es compatible, no solo con el Bosón de Higgs del Modelo Estándar Mínimo (el primero que se propuso, y el que introduce menos entes nuevos), pero también es compatible con otros modelos, como pueden ser Supersimetría, modelos con varios dobletes de Higgs; entre otros tantos modelos con menos fuelle. Por todo esto, ahora llega una etapa donde el análisis de los datos recogidos es fundamental ya que se tienen que comprobar las propiedades exactas de esta nueva partícula para corroborar o desmentir cuál es la teoría verdadera que describe nuestra naturaleza.
Si alguien tiene preguntas, en los comentarios de esta entrada podéis hacerlas!! Os animo a ello!!
