Momento histórico: El CERN encuentra evidencia sólida de la existencia de una nueva partícula que podría ser el bosón de Higgs

Una de las preguntas que la humanidad se ha hecho desde épocas muy remotas es: ¿de qué estamos hechos nosotros y todo el mundo a nuestro alrededor? En la antigüedad se creía que todo se formaba a partir de cuatro elementos básicos: agua, tierra, fuego y aire. Los primeros intentos por encontrar un componente básico de toda la materia se produjeron en la antigua Grecia, donde fue postulado el concepto de átomo como bloque básico e indivisible de todo lo existente. Sin embargo, con el desarrollo de la física en el siglo XX, quedó demostrado que lo que llamamos átomo se encuentra lejos de ser el componente básico de la materia.

Al examinar el interior del átomo, los físicos descubrieron que se encontraba conformado por un núcleo central de protones y neutrones, con pequeños electrones “orbitando” alrededor. Este modelo de átomo parecía simple y satisfactorio, pero debido a que los protones y neutrones son aproximadamente 1830 veces más masivos que los electrones, algo parecía no encajar del todo. En la década de 1930 se produjo una gran explosión en la física de partículas y se descubrieron partículas de todo tipo, como muones y neutrinos. Los experimentos en aceleradores de partículas contribuyeron a crear lo que se denominó “zoológico de partículas”, un caos de nuevas partículas descubiertas todo el tiempo para las cuales aún no existía una explicación teórica. Entonces, en la década de 1960 se encontraron nuevas partículas básicas en el interior de los átomos: los quarks.



Resulta que los protones y neutrones no son partículas elementales indivisibles, sino que están constituidos por tres quarks unidos. Existen seis tipos distintos de quarks, denominados de la siguiente forma: arriba (up), abajo (down), encanto (charm), extraño (strange), cima (top) y fondo (bottom). Entonces, los protones contienen dos quarks arriba y un quark abajo, mientras que los neutrones contienen dos quarks abajo y un quark arriba. Finalmente, los constituyentes básicos de toda la materia a nuestro alrededor, incluyendo a todo nuestro planeta y a nosotros mismos, quedaron reducidos a una combinación de quarks arriba, quarks abajo y electrones.

Ilustración de los constituyentes básicos de la materia, pasando por núcleo atómico rodeado de electrones, luego un protón y finalmente los diferentes tipos de quarks que lo componen.

Todos estos pasos hacia el descubrimiento de los constituyentes básicos de la materia fueron sumamente excitantes, pero dejaron a los físicos con más preguntas que respuestas y con algunas cuestiones un poco “feas” que no parecían ser correctas. Suele decirse que la física es una ciencia que busca la simpleza y la simetría en la naturaleza, pero los físicos debían enfrentarse a un abundante zoológico de partículas, algunas de ellas muy masivas, otras que parecían carecer de masa, y el conjunto completo parecía acercarse más al caos que a la simpleza que la física busca.

Con el tiempo, los físicos de partículas fueron categorizando estas partículas descubiertas experimentalmente, de forma similar a la que se categorizan a los diferentes átomos en una tabla periódica. Y aunque todo aquel caos iba acomodándose poco a poco, aún quedaban algunas cuestiones importantes sin resolver. Entre estas, una que le quitaba el sueño a los físicos: ¿por qué las partículas poseen masa y por qué existe tanta variación entre dichas masas, al nivel de que algunas partículas son muy masivas y otras prácticamente carecen de masa? Fue entonces cuando apareció el señor Higgs.

Gráfico ilustrativo del zoológico de partículas del modelo estándar, clasificadas según sus propiedades y sus niveles de energía. Se pueden observar a los diferentes leptones, los seis tipos de quarks, a las partículas de las fuerzas, y finalmente a los esquivos gravitones y el bosón de Higgs. Créditos: Mario Benedetti.

Peter Higgs es un físico británico que propuso una elegante solución al problema de la masa de las partículas. Lo que Higgs postuló es la existencia de un campo, invisible pero presente en todo el Universo, el cual es responsable de darle masa a todas las partículas. Y por supuesto, este campo denominado “campo de Higgs”, está compuesto por una gigantesca cantidad de partículas hipotéticas llamadas “bosones de Higgs”.

Una analogía divertida para explicar el fenómeno es pensar al campo de Higgs como una sala de conferencias sobre física, a una partícula muy masiva como un físico muy famoso (podríamos decir Einstein, para imaginar al más famoso), a una partícula poco masiva como un hombre común y a los bosones de Higgs como una gran cantidad de físicos. Mientras caminaran por la sala de conferencias, tanto el hombre común como Einstein se toparían con físicos en su camino, pero seguramente una gran cantidad de físicos se arremolinarían alrededor de Einstein y le impedirían avanzar, dándole una mayor cantidad de masa; en cambio, el hombre común continuaría ligero en su camino, lo que explicaría su baja masa.

Ilustración de la analogía del físico famoso, donde puede verse cómo un físico muy parecido a Einstein adquiere una gran masa y se torna más lento al interactuar con muchos fans físicos, que representan al bosón de Higgs.

Otra analogía para comprender apropiadamente al campo de Higgs es imaginar al Universo como una inmensa piscina. El agua en la piscina vendría a representar al campo de Higgs, un pez pequeño equivaldría a una partícula con poca masa y una persona pesada sería comparable a una partícula masiva. Tanto el pez como la persona intentan avanzar en la piscina y encuentran cierta resistencia producida por el agua; pero el pez encuentra mucha menos resistencia, por lo que se desplaza más rápido, como la partícula menos masiva, mientras que la persona encuentra mayor resistencia y se mueve más lento, lo que es comparable con la partícula con mayor masa. Y del mismo modo que el agua de la piscina está hecha de muchísimas moléculas de H2O unidas, el campo de Higgs está constituido por un gran número de bosones de Higgs unidos.

Más allá de éstas bonitas analogías, el bosón de Higgs integra una parte fundamental de nuestra comprensión acerca de la composición del Universo. El modelo más acertado que poseemos hasta el momento se denomina “Modelo Estándar de Física de Partículas” y algunas de sus ecuaciones principales lucen de la siguiente forma:

Comprender el contenido de estas ecuaciones excede muchísimo al objetivo de éste artículo, e incluso excede a muchos físicos también, pero lo importante que debemos notar es lo repetido que aparece la letra “H” en las ecuaciones. Como habrán adivinado, dicha “H” representa al bosón de Higgs, por lo tanto la confirmación de su existencia le proporcionaría una rotunda solidez al Modelo Estándar, que depende en gran medida del bosón de Higgs para ser correcto.

Para encontrar este esquivo bosón hipotético nunca detectado hasta el momento, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) construyó el increíble acelerador de partículas llamado Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus siglas en ingles). Pueden leer toda la información referida al LHC en éste artículo previo: Entendiendo al Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Lo importante es destacar que su función es acelerar protones hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz, para luego hacerlos colisionar entre sí. Como producto de estas colisiones se desprenden cantidades de energía y diferentes partículas, que son observadas y capturadas por diferentes detectores instalados en el LHC.

Imagen del detector CMS (Compact Muon Solenoid) perteneciente al LHC del CERN, usado en la detección del bosón de Higgs.

Y finalmente, después de muchos años de arduo trabajo en el CERN y tras millones de colisiones producidas y capturadas por los detectores CMS y ATLAS, el día de hoy miércoles 04 de julio de 2012, se realizó una conferencia donde se anunciaron los más recientes resultados en la búsqueda del bosón de Higgs. El físico Joe Incandela presentó los resultados correspondientes al detector CMS, mientras que la física Fabiola Gianotti hizo lo mismo con los resultados del detector ATLAS. El propio Peter Higgs estuvo presente durante la conferencia. Y estas fueron las conclusiones de la exposición de datos:

Los resultados finales del detector CMS: hemos observado un nuevo bosón con una masa de 125.3 GeV +/- .6 GeV con 4.9 sigma de certidumbre.

Los resultados finales del detector ATLAS: se encontró una partícula a 125 GeV con 5 sigma de certidumbre, lo cual es consistente con los resultados de CMS.

Resumen de la presentación del detector CMS durante la conferencia, donde se indica que se ha observado un nuevo bosón con una masa de 125.3 GeV con 4.9 sigma de importancia.

Al escuchar estos resultados, todos los físicos del mundo saltaron de alegría, ovacionaron con atronadores aplausos y el propio Higgs se mostró emocionado de alegría. Pero, ¿qué significan estos resultados para el resto de los que no tenemos tanto conocimiento en física de partículas? En lenguaje compresible para todos, los resultados nos muestran que ambos detectores encontraron un nuevo bosón, una nueva partícula, que se comporta exactamente de la misma forma en que era esperado que el hipotético bosón de Higgs del Modelo Estándar se comportase. Y con respecto al valor “sigma” de cada uno de los descubrimientos, se refiere al nivel de certidumbre o confianza que podemos tener en los resultados, y un valor de 5 sigma se refiere básicamente a un 99,9999% de certidumbre.

Datos presentados durante la conferencia. El exceso o salto en la grafica (denominado “bump” en inglés) representa la huella característica del bosón de Higgs.

Aunque los resultados son prácticamente decisivos y poseen implicaciones globales para el futuro, los físicos del CERN los toman cautelosamente y aún no anuncian haber encontrado el propio bosón de Higgs, sino una partícula que se comporta prácticamente igual que este. Adhieren que resta mucho trabajo por hacer, para confirmar el resto de las propiedades y características de esta nueva partícula, y que este hallazgo es sólo el comienzo.

En resumen de todo lo anterior: se encontró una nueva partícula que se comporta exactamente como el bosón de Higgs con un 99,9999% de certeza. Esto es prácticamente una confirmación de la existencia de Higgs, un momento histórico para la física de partículas y para la validación definitiva del Modelo Estándar de Física de Partículas. Es realmente un gran momento para la física de partículas, para la física en general, para la ciencia y para todos nosotros.

Conclusión final de la conferencia. Traducción: Esfuerzo Global -> Éxito Global. Resultados actuales sólo posibles debido al extraordinario desempeño de aceleradores - experimentos - red de cómputos. Observación de una nueva partícula consistente con un bosón de Higgs (¿pero cual?...). Hito histórico, pero sólo el principio.

Y quiero finalizar este artículo citando a la física que presentó los resultados del detector ATLAS, Fabiola Gianotti, quien tras su charla agradeció a quien realmente lo merece: “Gracias Naturaleza”.