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Label: Boson de Higgs

El LHC vuelve con casi el doble de energía 

 


Se han utilizado metáforas de todo tipo para explicar el bosón de Higgs. La imagen de Margaret Thatcher atravesando la Cámara de los Lores como si una partícula cruzase el campo de Higgs usada por el profesor David Miller; el clásico ejemplo de una pelota de ping pong y otra de tenis rodando sobre una cubeta con arena de playa y tantos otros... pero no es sencillo para el gran público entender las implicaciones del último gran descubrimiento de la Física realizado en el LHC de Ginebra. En la biografía de Richard Feynman escrita por James Gleick -'Genius, the life and science of Richard Feynman' (Vintage books)- el autor cuenta la respuesta que el genio y ganador del Premio Nobel de Física en 1965 le dio a un reportero cuando le pidió que explicase en 30 segundos la importancia de sus investigaciones merecedoras del galardón de la Academia Sueca. Feynman respondió que, si eso fuese posible, su trabajo no tendría mérito.

Y, según relata el físico de partículas de la Universidad de Oxford Frank Close en su obra 'The infinity puzzle' (Oxford University Press) , él mismo utilizó ese mismo ejemplo en 1993 para sugerirle por carta al entonces ministro de Ciencia de Reino Unido, Hon William Waldegrave, que no es sencillo explicar «las más profundas ideas en las fronteras del conocimiento científico en una única cara de un folio din A4». Como incentivo, el ministro ofreció una botella de champán añejo a aquel científico que ofreciese la mejor explicación sobre el objetivo y la utilidad que tendría el LHC. «Como respuesta yo podría lanzarle un reto similar relacionado con el Tratado de Maastricht», terminaba la misiva del profesor Close.

Finalmente, tanto el ministro como el Gobierno británico terminaron convenciéndose de la conveniencia de aportar la financiación necesaria para poner en marcha el LHC gracias a la zanahoria que suponía el hecho de que Peter Higgs fuese británico y, por tanto, que si se encontraba la escurridiza partícula que lleva su nombre, le conduciría de forma inequívoca hacia el Premio Nobel, tal y como ocurrió en 2013, un año después del hallazgo del bosón de Higgs en el LHC.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del Laboratorio Europeo de Partículas (CERN) de Ginebra comenzará en pocas semanas -a lo largo del mes de marzo- a inyectar de nuevo, tras más de dos años de parón, los primeros protones en el anillo subterráneo de 27 kilómetros. La parada fue programada para aumentar la energía del acelerador hasta casi el doble -de 7 TeV a 13 TeV- de la que permitió realizar el descubrimiento del bosón de Higgs que le valió el Premio Príncipe de Asturias al CERN junto con Peter Higgs y Francois Englert y el Nobel a estos dos últimos.


Un técnico en el LHC durante la parada para aumentar de energía. CERN

Algo parecido a lo que contaba el profesor Close en su carta le ocurre a la mayoría de los científicos cuando se les pregunta qué nos espera en esta nueva era de la Física de partículas que se inicia en 2015. No es fácil explicar lo que se podría descubrir tras el aumento de energía porque nos abrirá las puertas hacia lo desconocido, hacia una nueva Física.

«Si todo esto sale bien, habremos cumplido el cometido los gestores de la máquina subiendo la energía hasta 13 TeV y podremos empezar a producir física», explica a este diario Rolf Heuer, director general del CERN hasta que le sustituya la ya nombrada Fabiola Gianotti en enero de 2016. «¿Qué puede salir de ahí? No lo sé», confiesa Heuer.

Quizá el primer descubrimiento que se espera realizar tiene mucho que ver con la anterior época del LHC y es que se podrá avanzar en la descripción del bosón de Higgs para saber si definitivamente se trata del bosón de Higgs que completaría el Modelo Estándar que rige la Física actual o de otro que podría apoyar teorías que predicen la existencia de varios bosones de Higgs, como la Supersimetría, por ejemplo. «Esta nueva partícula puede que esconda muchas puertas cerradas que pueden ser abiertas hacia una nueva Física, a una mejor comprensión del Modelo Estándar... pero también más allá del Modelo Estándar», asegura Rolf Heuer.

El solo hecho de esclarecer si la partícula hallada en junio de 2012 y anunciada a bombo y platillo como la última pieza que faltaba para completar el modelo que describe los pilares que soportan el edificio del Universo es ya un hallazgo clave para la comunidad física. «Antes el objetivo estaba muy claro: encontrar el bosón de Higgs o demostrar que no existía. Ahora está menos claro lo que se puede descubrir en el futuro. Pero siempre que hemos aumentado la energía lo suficiente hemos encontrado una sorpresa», opina Álvaro de Rújula, físico teórico del CERN y del Instituto de Física Teórica del CSIC y la Universidad Autónoma. «Aunque no es obvio que duplicar la energía sea esta vez suficiente para encontrar algo nuevo, saber que no lo es también sería una novedad importante. Se hace camino al andar», asegura el investigador.

Un descubrimiento muy rápido

El bosón de Higgs era el objetivo científico principal que hizo posible la cooperación internacional para la construcción de un gran acelerador de partículas como el LHC. Y el hecho de que el hallazgo de la partícula predicha por Peter Higgs, junto con otros cinco físicos entre los que estaba Englert, se produjo a una velocidad enorme, apenas cuatro años después de la puesta en marcha de la máquina. La gran sacudida mediática que supuso el hallazgo del bosón ha situado al LHC en el punto de mira no sólo de la comunidad científica, sino también del gran público. Pero, según los expertos, los próximos descubrimientos no se producirán tan rápido. Habrá que ser pacientes. «El aumento de energía nos dirá muchas cosas sobre lo que hay más allá del Modelo Estándar. Pero no lo hará el año próximo ni en 2016 y probablemente tampoco 2017. Lo hará más tarde», afirma Heuer.

No obstante, y aunque apenas ningún físico sea capaz de aventurar lo que se encontrará en la próxima ronda de colisiones de protones, las ventanas que se abren ante la ciencia en 2015 son muy atractivas. «Podemos avanzar en el conocimiento de la masa oscura, decir algo más concreto es arriesgado», dice De Rújula. Pero la simple posibilidad de avanzar en el conocimiento de la materia que forma el 25% del Universo -la materia que conocemos y que forma la Tierra, las estrellas o a nosotros mismos supone tan sólo el 5%- ya es decir mucho.

El propio director del CERN asegura que funcionar a una energía mayor aumenta el potencial de hacer un descubrimiento y de encontrar nuevas partículas más pesadas que las que se producían cuando la máquina tenía 7 u 8 TeV. «Y eso sería genial. Porque cada nueva partícula que descubramos, puede abrir la puerta hacia el Universo oscuro», explica Rolf Heuer. Sin embargo, el LHC no tiene la exclusividad de la Física del futuro. «Es bien posible que encontremos la materia oscura en un laboratorio subterráneo en lugar de en el LHC», dice De Rújula.

Otro de los grandes enigmas del Cosmos más desconocido es la llamada energía oscura, que forma el 70% restante y de la que los físicos apenas conocen ni su naturaleza. Pero, a pesar de que lo oscuro supone el 95% del Universo, la Física aún no puede explicar ni siquiera qué compone esta enigmática materia, y mucho menos qué hay detrás de la energía oscura. «Estoy convencido de que no permitirá conocer más de la energía oscura, pero espero equivocarme. La naturaleza de la energía oscura es lo que más oscuro tenemos», asegura Álvaro de Rújula.

En 2015, arranca una nueva era para la Física que dejará en casi un juego de niños las teorías del Universo que podemos explicar en la actualidad. «Los modelos que conocemos son los modelos fáciles, los que yo puedo entender. Pero los que hay en lo desconocido son mucho más difíciles, más complicados de entender para mí», reconoce el director del CERN, Rolf Heuer.


ELMUNDO


Con lo que sabemos a día de hoy, ¿podría haber descubierto el Higgs el Tevatrón del Fermilab antes que el LHC del CERN? La respuesta es un rotundo no. En septiembre de 2010 un comité recomendó que el Tevatrón siguiera funcionando durante 3 años adicionales, en lugar de terminar sus colisiones en septiembre de 2011. Gracias a ello podría haber acumulado entre 16 y 20 /fb de colisiones sumando CDF y DZero para 2014. En dicho caso podría haber observado un Higgs con una masa de 125 GeV/c² a casi 4 sigmas, pero nunca podría haber logrado un descubrimiento a 5 sigmas. Esta pregunta me la realizó un lector de este blog (Manuel Egido Cabrera, aka ‏@Nyarlatholep).




Las predicciones del modelo estándar sobre el bosón de Higgs son muy precisas. Una vez descubierto podemos aprovechar sus propiedades para estirar los datos y extraer de ellos mucha más información de la que podríamos obtener antes del descubrimiento. Con los 10 /fb de colisiones que acumularon CDF y DZero, en julio de 2012 se observó un Higgs a unas 2,5 sigmas (algo ridículo con las 5 sigmas de ATLAS y CMS por separado en el LHC). Los análisis más recientes alcanzan unas 3 sigmas, pero es difícil llegar más allá.

Por tanto, con toda seguridad podemos afirmar que en ningún caso podría el Tevatrón haber observado el Higgs antes que el LHC. Y que nadie olvide que el logro del 4 de julio de 2012 fue resultado de un exceso estadístico a favor (sobre todo en el canal difotónico, que llevó a la escritura de cientos de artículos técnicos que creyeron ver nueva física en dicho exceso); a fecha 3 de julio de 2012 lo más razonable era augurar un descubrimiento con todas las de la ley (cinco sigmas) en diciembre de 2012 (muchos me criticaron en aquel momento porque había predicho en septiembre de 2013 que se descubriría el Higgs en julio de 2012 y cambié de fecha el día antes del anuncio oficial; pero en rigor debía hacerlo, nadie podía prever un exceso a favor tan grande como el observado en el canal difotónico tanto en ATLAS como en CMS; exceso que ha ido reduciéndose con nuevas colisiones y nuevos análisis).

Que nadie se equivoque. Nunca diré, porque no es verdad, que la decisión de clausurar el Tevatrón en 2010 fue la mejor decisión posible (desde el punto de vista de la física del bosón de Higgs). Si el Tevatrón hubiera seguido con colisiones hasta 2013 habríamos aprendido muchas cosas sobre el Higgs; por ejemplo, lo habríamos observado en desintegraciones con fermiones en 2013 (en lugar de en 2014). Hay ciertos procesos de la física del Higgs que se pueden estudiar con más facilidad con colisiones protón contra antiprotón que usando colisiones protón contra protón. Además, las desintegraciones del Higgs en quarks (que producen chorros hadrónicos) son mucho más limpias a baja energía (2 TeV c.m.).

Para acabar, la decisión del Fermilab de ceder el testigo de la búsqueda y estudio del Higgs al LHC también tiene sus ventajas para la física de partículas (neutrinos, muones, búsqueda indirecta de la supersimetría, etc.). En toda toma de decisiones debemos ver el lado positivo.

La Ciencia de la Mula Francis


El famoso físico británico Stephen Hawking ya ha llegado a España, a las Islas Canarias, para participar en la segunda edición del Festival Starmus. Como ya es habitual en Hawking, nos brinda una nueva boutade: la partícula de Higgs podría destruir el universo. ¿Qué quiere decir Hawking con estas palabras? Hawking ha realizado esta afirmación en el prefacio del libro “Starmus, 50 years of man in space” que recoge las conferencias de la primera edición del Festival Starmus, que se celebró en junio de 2011 y que contó con invitados de excepción como los astronautas Neil Armstrong y Buzz Aldrin, o el guitarrista del grupo Queen Brian May. El Festival Starmus es un encuentro de divulgación científica, centrado en la astrofísica y la astronomía, impulsado por Garik Israelian, astrofísico armenio-español del Instituto de Astrofísica de Canarias, con el patrocinio del Gobierno de Canarias y del Cabildo de Tenerife. Hawking ha escrito en el prefacio de este libro que si un bosón de Higgs alcanzara una energía de cien mil millones de veces la masa de un protón podría provocar un colapso del espacio y del tiempo que destruiría todo el universo. Con cierto sarcasmo Hawking dice en el prefacio de este libro que un colisionador de partículas capaz de alcanzar esta energía debería ser más grande que la propia Tierra, con lo que es muy improbable que sea financiado con el “clima” económico actual.

Para más información en español puedes leer Alberto Casas, “No hay nada que temer,” El Mundo, 9 Sep 2014; “Stephen Hawking: el bosón de Higgs podría destruir el Universo,” ABC, Ciencia, 9 Sep 2014; “Stephen Hawking: ‘Ahora mismo no sé aún por qué existe el Universo’.

Hay muchas explicaciones en inglés, recomiendo Don Lincoln, “What Hawking really meant,” Symmetry Magazine, 11 Sep 2014; Matt Strassler, “Will the Higgs Boson Destroy the Universe???,” Of Particular Significance, 10 Sep 2014; Kelly Dickerson, “Stephen Hawking Says ‘God Particle’ Could Wipe Out the Universe,” Live Science, 8 Sep 2014; Roxanne Palmer, “Will The Higgs Boson Destroy The Universe In A Cosmic Death Bubble?,” World Science Festival, 8 Sep 2014.
En este blog también puedes leer “La estabilidad del vacío del modelo estándar,” LCMF, 13 Sep 2013; “El bosón de Higgs y el destino final del Modelo Estándar de la física de partículas,” LCMF, o4 Ago 2009; “Por qué el bosón de Higgs es una pieza fundamental en el modelo estándar,” LCMF, 10 Jul 2012.



No podemos construir un colisionador de partículas con tanta energía, pero en el universo existen fenómenos muy violentos que producen enormes cantidades de energía, como explosiones de supernovas. ¿Podría alguno de estos fenómenos provocar que la partícula de Higgs destruyera el universo? No, por fortuna es extremadamente improbable. El universo ha existido durante los últimos 13.800 millones de años sin que ningún fenómeno astrofísico extremadamente violento haya sido capaz de destruirlo. Todo indica que el universo está a salvo y lo seguirá estando durante los próximos cientos de miles de millones de años. Lo que Hawking ha querido recordar con su frase es que el vacío del campo de Higgs es metaestable. Metaestable quiere decir que es estable pero se puede desestabilizar. Imaginemos un taburete en la barra de un bar. Si nos sentamos en el taburete estamos en un estado estable, pero no tan estable como si estuviéramos sentados en el suelo. Por ejemplo, si echamos el cuerpo hacia atrás acabaremos cayendo al suelo. El suelo es más estable que el taburete, que es metaestable, siendo estable podemos alcanzar un estado más estable si nos caemos al suelo. El vacío del campo de Higgs, como el taburete, es metaestable y aportando mucha energía podría transitar a un estado más estable que destruiría el universo actual.


Lo que todos nos preguntamos es ¿cómo puede el Higgs destruir el universo y sin embargo otras partículas no pueden hacerlo? Hay una gran diferencia entre el campo de Higgs y el campo de las demás partículas fundamentales conocidas. Todos los campos tienen un solo estado de vacío, sin embargo, el campo de Higgs tiene dos estados de vacío diferentes. Uno a alta energía llamado falso vacío y otro a baja energía llamado vacío “verdadero”. El universo ahora mismo se encuentra en el vacío verdadero del campo de Higgs. Las teorías físicas actuales afirman que es extremadamente improbable, pero que no es imposible que el campo de Higgs sufra una transición de fase y pase al estado de falso vacío. En dicho caso se produciría en el espaciotiempo un fenómeno parecido a lo que le pasa al agua cuando hierve, se producirían burbujas. Estas burbujas tendrían falso vacío en su interior y vacío verdadero en su exterior. El tamaño de las burbujas crecería a la velocidad de la luz y se formaría una especie de espuma de falso vacío que destruiría todo el universo conocido. Sin embargo, la mayoría de los físicos no estamos preocupados por esta cuestión pues consideramos que es una indicación de que existe nueva física, nuevas partículas aún por descubrir, que estabilizarán el vacío del campo de Higgs.


En tu opinión, ¿se encontrarán nuevas partículas en las colisiones del LHC que se reiniciarán el año próximo? Hay algo importante que me gustaría recordar. Los cálculos que predicen que el vacío del campo de Higgs es metaestable asumen la hipótesis de que no existe nueva física desde las energías que se alcanzan en las colisiones del LHC, unas diez mil veces la masa del protón, hasta la energía de Planck, unos dos trillones de veces la masa del protón. La mayoría de los físicos creemos que en doce órdenes de magnitud en energía debe haber nuevas partículas y nuevas interacciones aún por descubrir. La física actual presenta muchas incógnitas, como el problema de la materia oscura o el problema de la energía oscura. La mayoría de las respuestas que se barajan en la actualidad, como la supersimetría, incorporan mecanismos que vuelven estable el vacío del campo de Higgs y salvan al universo de su propia destrucción. Yo no sé si el LHC encontrará nuevas partículas en los próximos años, pero lo que tengo muy claro es que el vacío metaestable del campo de Higgs es una señal, como muchas otras, de que aún nos queda mucha por física fundamental por descubrir en el siglo XXI.


¿Cómo sabemos que el campo de Higgs es metaestable? En la teoría que explica la física de las partículas, llamada modelo estándar, parámetros como la masa o los acoplos entre campos dependen de la energía (“corren” con la energía). Esta dependencia se calcula con una herramienta matemática llamada grupo de renormalización. La masa de todas las partículas depende del acoplo con el campo de Higgs y cambia con la energía (por ejemplo, la masa del electrón crece con la energía y la de los quarks decrece con la energía). La masa del bosón de Higgs depende del autoacoplo del campo de Higgs. El parámetro de autoacoplo es positivo y decae con la energía (vale 0,23 a energía cero y unos 0,13 a unos 125 GeV). A la energía a la que el autoacoplo se vuelve negativo el vacío del campo de Higgs se vuelve inestable. Si esta energía fuera mayor que la energía de Planck (a la que el modelo estándar deja de ser válido y se necesita una teoría cuántica de la gravedad, es decir, del propio espaciotiempo) el vacío del campo de Higgs sería estable. Con los valores actuales de la masa del Higgs y la del quark top (la partícula con mayor masa conocida), el autoacoplo se vuelve negativo a una energía de cien mil millones de veces la masa del protón, por ello el campo es metaestable. Me gustaría destacar que hay bastante incertidumbre en la masa del quark top y que, por supuesto, si existe nueva física más allá del modelo estándar, habría que introducir correcciones a estos cálculos. La mayoría de las propuestas actuales logran estabilizar el campo de Higgs.


¿Por qué Hawking ha sacado el tema del Higgs y de la destrucción del universo en este momento? Gracias a la observación de modos B en la polarización del fondo cósmico de microondas, 2014 está siendo el año de la inflación cósmica. El campo inflatón es un campo escalar como el Higgs. A principios de los ochenta varios físicos estudiaron la estabilidad de los campos escalares que tienen más de un vacío. Por efecto túnel cuántico puede ocurrir una transición entre estos vacíos. A las soluciones matemáticas que describen este fenómeno se les llama instantones. Los más famosos son los de Coleman–De Luccia (1980) y de Hawking–Moss (1983). Quizás Hawking ha recordado este año su trabajo con Ian G. Moss y con objeto de reivindicarlo ha lanzado su nueva boutade.

Coda final. Para los físicos interesados estos trabajos son S. R. Coleman, F. De Luccia, “Gravitational Effects on and of Vacuum Decay,” Phys. Rev. D 21: 3305 (1980) [PDF gratis], y S. W. Hawking, I. G. Moss, “Fluctuations in the Inflationary Universe,” Nucl. Phys. B 224: 180 (1983).



El famoso bosón de Higgs, descubierto hace dos años en el CERN (Ginebra) nos ha dado claves para entender la estructura del vacío. La teoría que subyace al descubrimiento es, en pocas palabras, la siguiente: existe un campo, llamado campo de Higgs (parecido al electromagnético, pero con propiedades diferentes) que llena todo el universo, incluso los espacios aparentemente vacíos. Las partículas convencionales (por ejemplo, un electrón) adquieren masa al interaccionar con el campo de Higgs. Si excitamos ese campo (haciendo chocar dos partículas con enorme energía, tal como se hace en el CERN), entonces se producen los bosones de Higgs, es decir excitaciones elementales de ese campo que lo llena todo.

Ahora bien, ¿por qué tiene el campo de Higgs un valor distinto de cero? La explicación es que para ese valor particular, la energía que almacena el campo es la mínima posible, menor que si no hubiera campo. Por tanto, fuera cual fuera el valor inicial del campo de Higgs, éste tomará de forma espontánea ese valor privilegiado, igual que una pelota rueda hasta el punto más profundo de un hoyo.

Sin embargo, la situación puede ser algo más complicada: podría haber otro hoyo más profundo, en el que el campo de Higgs se encontrara "aún más a gusto". Ese sería el auténtico vacío, y el nuestro sería un vacío "aparente". Que esto suceda depende de los parámetros que definen la física del campo de Higgs, los cuáles son ahora bien conocidos gracias al descubrimiento del famoso bosón. Y todo indica que éste podría ser el caso: puede que haya un vacío más profundo y estable que el nuestro. ¿Significa eso que el campo de Higgs rodará espontáneamente hacia su vacío verdadero (el hoyo más profundo)? No necesariamente. En un campo de golf, una pelota dentro de un hoyo no saltará espontáneamente para caer en un hoyo más profundo situado a un kilómetro. En realidad, según la física cuántica sí hay una probabilidad de que esto suceda, pero es pequeñísima. De la misma forma, el campo de Higgs podría saltar en cualquier momento a su vacío verdadero, lo cual supondría un cataclismo cósmico, pero la probabilidad resulta ser ínfima. No hay nada que temer.

Existe otra posibilidad: sacar a la pelota de su hoyo hasta un punto desde el que pueda rodar al hoyo más profundo. Eso requiere energía. De la misma forma, una colisión millones de veces más energética que las previstas en el acelerador más potente proyectado, podría sacar al vacío de su sitio; pero esto es algo inimaginable. De hecho en la naturaleza los rayos cósmicos producen algunas colisiones mucho más energéticas que las que se producen y se producirán en el futuro en los aceleradores y nunca ha pasado nada. Por tanto, no hay absolutamente nada que temer en este sentido.


EL MUNDO.es
  • El popular astrofísico teoriza que si la partícula alcanzara niveles de energía muy elevados, se volvería inestable provocando un colapso cósmico

     

    El bosón de Higgs, la escurridiza partícula descubierta en 2012 después de años de búsqueda y que se encarga de dar masa a todas las demás, podría destruir el Universo. Esto advierte el famoso físico y cosmólogo británico Stephen Hawking en el prólogo del libro «Starmus: 50 años del hombre en el espacio», una colección de ensayos escritos por distintos científicos con motivo del festival del mismo nombre, que este año se celebra en Tenerife del 22 al 27 de septiembre. El científico dice que si se alcanzaran niveles muy altos de energía, el bosón de Higgs podría volverse inestable y causar un «deterioro catastrófico de vacío» que colapsase espacio y tiempo.

    Claro que todo tiene sus matices. El físico, que ahora se encuentra de crucero rumbo a las islas Canarias después de partir de Southampton (Reino Unido) para asistir al festival Starmus, también destaca que la posibilidad de que esto ocurra es «muy poco probable», ya que los científicos todavía no han logrado crear un acelerador de partículas lo suficientemente grande como para producir semejantes condiciones.

    «El bosón tiene la preocupante característica de poder convertirse en megastable a energías superiores a 100 mil millones de 'gigaelectronvoltios' (GeV),», escribe. «Esto puede significar que el Universo sufriría un deterioro catastrófico provocado por una burbuja de vacío que se expandiese a la velocidad de la luz. Algo que es poco pronosticable y podría suceder en cualquier momento». Claro que el tiempo estimado para que algo así ocurra es «mayor que la edad del Universo», así que podemos estar tranquilos.

    Un acelerador más grande que la Tierra

    «Para lograr un acelerador de partículas que alcance los 100 mil millones de GeV, algo que sería más grande que la Tierra, haría falta mucha financiación, lo que lo hace poco probable en el actual clima económico», indica Hawking con el sarcasmo que lo caracteriza.

    Sin embargo, también señala que la potencial capacidad del bosón de Higgs para destruir a niveles de alta energía podría ofrecer importantes conocimientos, ya que «impone restricciones importantes en la evolución del Universo».

    Los aceleradores de partículas se utilizan para que los científicos pueden detectar pequeñas partículas que se desprenden de las colisiones, y funcionan aumentando la velocidad a la que las partículas subatómicas viajan, gracias al empleo de campos magnéticos y eléctricos que colisionen entre ellos. El más famoso es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, Suiza.


    ABC
  • Dos años después del descubrimiento de la partícula, los físicos del CERN se afanan por encontrar lo más difícil: su masa y anchura exacta 



    El 4 de julio de 2012, un grupo de físicos del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares, el CERN, situado en Ginebra, anunció al mundo el hallazgo de una partícula fundamental predicha 50 años antes por el británico Peter Higgs, junto a, entre otros, François Englert y Robert Brout. El anuncio del descubrimiento dio la vuelta al mundo. Los periódicos llevaban la noticia en sus portadas sin que muchos de sus lectores supieran a ciencia cierta qué diablos era el bosón de Higgs.

    Se trataba de la partícula fundamental por excelencia, aquella que no podía ser descompuesta y en la que se basa todo lo que existe en la naturaleza. El Higgs no era meramente algo sólido como un átomo, era una partícula de fuerza, algo capaz de provocar reacciones en el resto de partículas. Al igual que los fotones -otro tipo de bosón- son responsables de la luz, el Higgs era responsable de que las partículas tuvieran masa. Y más importante, su existencia confirmaba casi absolutamente el Modelo Estándar, el juego de reglas físicas por las que se rige toda la materia que compone el universo. «Encuentro muy alentador que dos años después del anuncio del descubrimiento la gente todavía pregunte por él, qué significa, qué influencia tiene... es fantástico ver que el público no olvida tan rápidamente», reconoce a ABC Rolf-Dieter Heuer, el Director General del CERN.

    Pero, una vez sabemos que esta partícula fundamental existe, ¿qué ocurre? ¿a qué se dedican ahora esos científicos? Algunos de ellos asisten estos días en Valencia a ICHEP, la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, que por primera vez tiene lugar en España.

    Propiedades del bosón

    «Tras el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, el foco se ha movido hacia la medida de sus propiedades», dice Matteo Sani, investigador en la Universidad de California que participó en el descubrimiento de la partícula, «la masa del Higgs es un parámetro fundamental no predicho por el Modelo Estándar, cuyas predicciones estarán totalmente establecidas una vez la masa haya sido medida».

    En estos momentos, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) lleva meses en una fase de parada técnica y puesta a punto, y su actividad se reanudará a comienzos de 2015. Los dos experimentos paralelos que descubrieron el bosón de Higgs, llamados ATLAS y CMS se reanudarán en esa fecha.

    David Charlton, físico británico y portavoz del ATLAS, comenta que este parón «está bien, nos dará tiempo a completar un montón de estudios de precisión. Ahora es cuando estamos viendo todos los frutos de los años de trabajo en el LHC, y están apareciendo muchos, muchos resultados». A bote pronto, Charlton diría que en los últimos seis meses ATLAS ha publicado unos 50 artículos científicos.

    El físico de particulas italiano Tiziano Camporesi, representante del CMS, reconoce que «era una prioridad medir el Higgs tan bien como sea posible y extraer el máximo de información. Como resultado de estos esfuerzos, ahora tenemos la medida más precisa de la masa». La masa de partículas fundamentales no se mide, por supuesto, en gramos, sino que se expresa como una medida de energía. Para orientarse en este mundo infinitesimal, sepa el lector que en un milímetro caben aproximadamente unos mil millones de átomos, en el centro de cada átomo hay protones que ocupan una diez milésima parte de la superficie. Y cada uno de estos tiene cien veces más masa que un bosón de Higgs.

    Pero estos físicos no sólo están detrás de determinar la masa, sino también la anchura exacta de este campo de fuerza para el que el adjetivo «minúsculo» ya es una enorme exageración. ¿Cómo hacerlo? Como de costumbre. Los físicos teóricos proponen algo y los experimentalistas tratan de demostrarlo. «Medir la anchura del Higgs partió de una idea sobre la forma de ver el efecto de la anchura, una idea teórica de hace dos años», afirma Camporesi. «Explicado en términos simples -añade-, si tomabas las mediciones aquí y allí y las interpretabas, básicamente podíamos obtener unos límites en la anchura».

    «Ahora comienza lo difícil»

    «En este momento, conocemos básicamente un 1% de todos los datos» recogidos hasta ahora con el LHC, dice Camporesi, para quien «hasta que llegas al 10% del total, puedes hacer muchos descubrimientos que nunca antes han surgido, pero lo importante del 90% restante es que el experimento pasan de ser ‘experimentos de descubrir’ para convertirse en experimentos de medir». Desde que el bosón fue descubierto, «hemos sacado 350 estudios en revistas científicas que están contribuyendo a incrementar el conocimiento de la humanidad sobre cómo funciona la naturaleza», añade Camporesi. «No todos son tan atractivos como el descubrimiento de una nueva partícula , ¡pero son importantes!»

    Tras el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, un hito científico que requirió años, una inversión de miles de millones y cientos de científicos implicados tanto en el CERN como en el Fermilab norteamericano, Heuer dijo a sus científicos «esto que habéis logrado era lo fácil, ahora comienza lo verdaderamente difícil».

    Por supuesto, dos años después todavía mucha gente se pregunta para qué sirve haber descubierto esta partícula fundamental. «Es la pregunta que más escuchamos», comenta una de las responsables de prensa del CERN. Como en toda investigación básica, las aplicaciones que surgen no son nunca inmediatas, pero si de algo puede presumir este enorme centro de investigación en física de partículas es de relevancia. Por ejemplo, la de ese artículo de 1989 que un entonces joven científico del CERN llamado Tim Berners-Lee bautizó con el anodino título: «Tratamiento de información: una propuesta». Meses después, la propuesta dio lugar a internet, tal y como hoy lo conocemos.

    El mundo subatómico

    Ernest Rutherford descubrió a principios del siglo XX que una gran cantidad de energía aplicada a unos átomos podía lograr su desintegración en partículas aún más pequeñas. Un principio parecido se aplica desde entonces, sólo que, a menor tamaño de la siguiente partícula, más energía se requiere para descubrirla.

    Átomo

    Hasta comienzos del siglo XX, se pensaba que el átomo -indivisible en griego- era la partícula más fundamental de la materia. Su tamaño es de entre 3 y 30 picómetros (hay mil millones de picómetros en un milímetro). Ernest Rutherford y otros descubrieron la existencia de partículas más pequeñas: el protón, el neutrón y el electrón.

    Protón

    La física moderna clasifica la materia principalmente en dos tipos, hadrones (más pesados, como protones o neutrones) y leptones (más ligeros, como electrones o neutrinos). El protón es el hadrón más estable, y junto al neutrón, es parte fundamental del núcleo del átomo. Su tamaño es de entre 1.6 y 1.7 femtómetros (1 picómetro son 1.000 fentómetros).

    Quark

    Como el átomo, los protones también están formados por tres partículas más pequeñas, llamadas quarks. Los quarks son fermiones, una de los dos tipos de partículas elementales de la naturaleza, es decir, no se conoce nada por debajo de ellas. La otra partícula fundamental es el bosón. El fermión es el ladrillo, el bosón el cemento.

    Bosón

    Que una partícula sea pesada, como el protón, o ligera, como el electrón, depende de las fuerzas de unión entre sus partes. Este tipo de fuerzas se llama bosón. Los fotones, responsables del electromagnetismo, son bosones, igual que los gravitones, responsables de la gravedad. El último bosón en ser hallado fue el Higgs, responsable de que la materia tenga masa. Aunque hablar de tamaño no es preciso, ya que es una fuerza, su campo de acción equivale a la centésima parte de un protón.
    ABC

Investigadores del experimento ATLAS del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) han observado las primeras evidencias del bosón de Higgs desintegrándose en fermiones, los ‘ladrillos’ que forman la materia, en lugar de en bosones como se conocía hasta ahora. En el estudio han participado investigadores españoles.

 

 



La colaboración internacional del experimento ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) acaba de hacer públicas las primeras evidencias de la desintegración del recién descubierto bosón de Higgs en dos partículas denominadas tau, pertenecientes a la familia de partículas que compone la materia que vemos en el universo.

Hasta ahora los experimentos del LHC habían detectado la partícula de Higgs mediante su desintegración en otro tipo de partículas denominadas bosones, portadoras de las fuerzas que actúan en la naturaleza, mientras las evidencias de desintegraciones en fermiones no eran concluyentes.

Esta es la primera evidencia clara de este nuevo modo de desintegración del bosón de Higgs, en cuyo análisis han participado investigadores españoles.

Es la primera vez que se observa al bosón de Higgs decaer en dos leptones tau

Los miembros de la colaboración ATLAS presentaron los nuevos resultados en un seminario en el CERN el pasado 26 de noviembre. En ellos se muestra por primera vez con un nivel de certeza de 4 sigma – lo necesario para proclamar una genuina observación es 5– al bosón de Higgs decayendo en dos leptones tau (representados por la letra del alfabeto griego τ). Es la primera vez que se ha medido este fenómeno en el bosón de Higgs.

El bosón de Higgs es la partícula descubierta en 2012 por los experimentos ATLAS y CMS del LHC que revela la existencia de un nuevo campo de fuerza en la Naturaleza. También llamado mecanismo de Brout-Englert-Higgs en honor a los físicos que lo propusieron (dos de ellos, Englert y Higgs, galardonados con el Nobel de Física y el Príncipe de Asturias de Investigación).

Este campo de fuerza es responsable del origen de la masa de otras partículas elementales. Sin este mecanismo para generar la masa, la materia que compone todo lo que vemos en el Universo y a nosotros mismos no se hubiera podido formar tal y como la conocemos.

Compatible con el modelo estándar


Se sabía que la partícula de Higgs se desintegra en uno de los dos tipos básicos de partículas que existen: los bosones, responsables de las interacciones (fuerzas) que se producen en la naturaleza. El mecanismo de Brout-Englert-Higgs se propuso para explicar el origen de la masa de este tipo de partículas.

Sin embargo, el modelo estándar de la física de partículas, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones, postulaba que el otro tipo básico de partículas, los fermiones, también adquirían su masa por este mecanismo.

Científicos españoles del IFIC, IFAE, IMB y UAM participan en el estudio

Ahora es la primera vez que los científicos han visto claramente que el bosón de Higgs se desintegra también en este tipo de partículas, los fermiones, los 'ladrillos' que componen la materia visible en el Universo (por ejemplo, los electrones y los quarks que componen los protones de un átomo son fermiones). De hecho, los resultados obtenidos por los científicos del experimento ATLAS son compatibles con las predicciones del modelo estándar.

Estos resultados se han obtenido con los datos recopilados en 2012. A partir de su puesta en marcha en 2015 tras dos años de mantenimiento, los científicos esperan obtener muchos más datos del LHC, funcionando además a la energía para la que se diseñó.

Investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV) han participado directamente en este análisis, con un papel importante en la caracterización de los sucesos de fondo, determinación de métodos estadísticos, definición de la técnica multivariante y selección de las variables de entrada, que han sido cruciales para lograr este resultado con un alto nivel de confianza estadística.

Por su parte, los investigadores del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE) participantes en el experimento ATLAS trabajan en otros canales para estudiar la desintegración del bosón de Higgs en otros fermiones (quarks top y bottom).

En ATLAS también participan investigadores del Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CNM-IMB-CSIC) y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). En total, unos 200 investigadores españoles participan en el LHC, agrupados por el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN).
 
 
 
CPAN



El físico Peter Higgs, uno de los galardonados con el Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica por el descubrimiento del Bosón de Higgs, ha señalado que su hallazgo "da una razón física" por la que existe la vida, un hecho que, a su juicio, no está reñido con la concepción de la existencia de Dios.

"Aunque no soy creyente, no hay conflicto entre el Dios creador y lo que hemos descubierto del Universo, es perfectamente posible tener creencias religiosas y ser a la vez científico", ha afirmado durante la rueda de prensa concedida este jueves en Oviedo.

También han comparecido ante los medios los otros dos premiados en esta categoría, FranÇois Englert, que también teorizó sobre la existencia de la partícula, y Rolf Heuer, director de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en donde se produjo la confirmación experimental de la existencia del bosón.

Heuer ha indicado que este descubrimiento pertenece a la ciencia básica y que por tanto, no tendrá una aplicación inmediata, aunque, ha adelantado que "seguro que se aplicará en algún momento".

De momento, ha explicado que lo que aporta el hallazgo es el conocimiento de por qué puede existir la vida. "Este mecanismo es necesario para poder darle a las partículas fundamentales (de las que están hechas todas las cosas) masa, sin la masa no podríamos encontrar materia compuesta, todo estaría flotando por el universo", ha declarado.

INVERTIR EN INVESTIGACIÓN

Por otra parte, los tres premiados han defendido unánimes la inversión en investigación científica en España. "Es muy importante no recortar en investigación, porque es la base para salir de la crisis económica y es la principal manera de moderar las venideras", ha expresado Heuer.

"En tiempos de crisis hay que hacer un equilibrio entre corto y largo plazo, porque el largo es el futuro, sobre todo de los jóvenes, y creo que la investigaciones algo que les educa y proporciona la base para el bienestar", ha añadido.

En la misma línea se ha manifestado Englert, para quien "la investigación es la base sobre la que se desarrolla todo". "Si se pasa por alto la importancia de la ciencia, lo que sucede es una repetición, copias de lo que han hecho otros, pero no hay creatividad, por lo que el espíritu de construcción se pierde", ha explicado.

Englert ha añadido que "es muy importante mantener el desarrollo de la ciencia fundamental, pero no solo por el progreso en sí, sino por el objetivo de diseminar la información y enseñar a la sociedad a acceder a la racionalidad".

Higgs ha expresado que "sería una pena que en España, un país que hasta hace 30 años estaba muy por detrás del resto de países en apoyo a la ciencia y que en estos años ha alcanzado a los países más vanguardistas, la crisis económica hiciera que se quede atrás de nuevo".

PREMIADOS AUSENTES

Ante la polémica suscitada por la no inclusión entre los premiados de algunos de los investigadores que ayudaron a este hallazgo, Higgs ha manifestado que "es una pena que el Nobel no haya ampliado el reconocimiento a las personas que contribuyeron también en 1964", cuando formuló por primera vez la teoría.

Finalmente, Higgs ha recordado a Robert Brout, físico que contribuyó en la investigación, y que falleció en 2011. "El reconocimiento se atribuye a varias personas, a la teoría y a la parte experimental, pero creo que al menos, hay una persona que debería haberse incluido en el Nobel", ha concluido.
 
 
 
europapress
 



El Bosón de Higgs pudo tener un papel fundamental en el origen de la materia oscura, según se desprende de un estudio, publicado en 'Physical Review Letters'. La investigación sugiere que esta partícula tuvo un papel clave en los inicios del universo, la producción de la diferencia observada entre el número de partículas de materia y antimateria y la determinación de la densidad de la misteriosa materia oscura que compone cinco sextas partes del Universo.

Los autores del trabajo, Sean Tulin (Universidad de Michigan) y Géraldine Servant (Instituto Catalán de Investigación y Estudios Avanzados), dicen que pudo haber una asimetría en el Universo temprano entre el Bosón de Higgs y su contraparte de antimateria, el anti-Higgs. En este sentido, los científicos han explicado que, aunque actualmente se cree que el Higgs no tiene una antipartícula, el modelo estándar sí permite considerar que ha existido en el universo primitivo.

Así, la idea de los expertos es que había un desequilibrio entre el número de estas partículas y el número de Higgs y el de anti-Higgs se podría haber traducido en una asimetría en la cantidad de materia y antimateria.

El equipo se ha llamado a esta teoría 'Higgsogenesis', basándose en la 'bariogénesis', el nombre de un proceso del Universo temprano que por el que se produjeron más bariones (partículas como protones y neutrones) que antibariones. "La 'Higgsogenesis' es una alternativa", ha señalado Tulin.

PARTÍCULAS QUE FALTAN

Tulin y Servant muestran que si el Higgs también interactuó con la materia oscura --por ejemplo, mediante la generación de partículas de materia oscura cuando se desintegra-- podría producir un índice de oscuridad en la materia visible, que es justo lo que se ve en el Universo actual.

Servant ha señalado que una consecuencia de la interacción de Higgs de esta manera sería una nueva prueba del potencial de la materia oscura, que ha demostrado, hasta ahora, que es difícilmente observable en directo. Los expertos esperan ahora a la descomposición del Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que, a su juicio, dirán si esto es cierto.

La revista 'Nature' ha explicado que otros grupos también están llevando a cabo la 'Higgsogenesis'. En julio, teórico Sacha Davidson (Universidad de Lyon) publicó un documento en 'arXiv' sobre lo que se requiere para producir la asimetría entre el bosón de Higgs y el anti-Higgs en el Universo temprano. En este caso, encontró una teoría relativamente simple en la que el modelo estándar de física de partículas incluye todas las partículas normales, así como una inobservable partícula anti-Higgs.
 
 
europapress
 



Confirmado, como ya predije, el Premio Nobel de Física de 2013 ha sido otorgado a dos de los tres físicos teóricos que formularon el mecanismo de Brout-Englert-Higgs que da masa a las partículas fundamentales y que predice la existencia del bosón de Higgs. François Englert, de la Universidad Libre de Bruselas, Bélgica, junto al ya fallecido Robert Brout, de la misma universidad, y Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, Escocia, publicaron esta teoría en 1964 en la revista Physical Review Letters. Aunque mi predicción podía parecer fácil, mucha gente pensaba que el CERN, como institución, o el LHC, recibirían también el premio, o incluso que Philip Anderson, ya premio Nobel en 1977, o Tom Kibble, serían el tercer físico que acompañaría a Englert y Higgs, pero no acertaron. En este mi último podcast sobre el bosón de Higgs recordaré el papel de Anderson, y presentaré una curiosa idea, la “higgsogénesis” como explicación de la asimetría entre la materia y la antimateria.

Acceso gratuito a los artículos de F. Englert and R. Brout, “Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons,” Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964), y P. W. Higgs, “Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons,” Phys. Rev. Lett. 13, 508 (1964). La historia de Anderson, contada por sus propias palabras, en “Interview with Dr. Philip Anderson,” by P. Chandra, P. Coleman and S. Sondhi, 1999.

Sobre la higgsogénesis recomiendo Eugenie Samuel Reich, “‘Higgsogenesis’ proposed to explain dark matter,” News, Nature, 4 October 2013 (traducción al español). Siendo los artículos técnicos Geraldine Servant, Sean Tulin, “Higgsogenesis,” (Accepted in PRL) arXiv:1304.3464 [hep-ph], y Sacha Davidson, Ricardo Gonzalez Felipe, H. Serodio, Joao P. Silva, “Baryogenesis through split Higgsogenesis,” arXiv:1307.6218 [hep-ph].



La historia de los modelos cuánticos para la rotura espontánea de simetrías se remonta a un artículo de Heisenberg en 1928 sobre el ferromagnetismo responsable de los imanes. Como puedes imaginar entre 1928 y 1964 muchos físicos aplicaron la idea de las simetrías rotas en diversos contextos como la superconductividad, los superfluidos, los vidrios de espín, etc.. El trabajo que le dio el Premio Nobel de 1977 a Philip Anderson se publicó en 1958 y está relacionado con el magnetismo. La teoría de moda del momento era la teoría de la superconductividad de Bardeen, Cooper y Schrieffer de 1957. Alrededor de 1960 muchos físicos teóricos de partículas trataron de aplicar las ideas de esta teoría no relativista en un contexto relativista. Nambu y Jona-Lasinio estudiaron en detalle la rotura espontánea de una simetría global en 1961, pero como Goldstone demostró esta teoría global predice partículas sin masa que no han sido observadas en los experimentos, los bosones de Goldstone.

Anderson trabajaba en los Laboratorios Bell en Nueva Jersey donde atrajo a muchos físicos teóricos jóvenes, la mayoría de ellos formados en física de partículas. Entre ellos el joven físico belga Bob (por Robert) Brout que pasó varios veranos trabajando con Anderson en los Laboratorios Bell. En el verano de 1961 Anderson invitó a Nambu a dar una charla sobre su teoría con Jona-Lasinio. Ese verano mantuvo muchas conversaciones sobre los bosones de Goldstone con Nambu y con Brout. Anderson tuvo una buena idea, aplicar conceptos del antiferromagnetismo y de la superconductividad al trabajo de Nambu y Jona-Lasinio para lograr una rotura espontánea de la simetría local, en lugar de global, y dotar de masa a los bosones de Goldstone que se transformarían en lo que hoy en día llamamos bosones de Higgs. Anderson no trabajaba en física de partículas, pero Brout le recomendó que enviara un artículo a publicar con sus ideas. Lo envió en 1962 y se lo publicaron. El artículo de Anderson tenía las ideas físicas correctas pero su falta del dominio de las técnicas matemáticas de teoría cuántica de campos le impidió expresarlas al gusto de los físicos de partículas. Ya de retorno en Bélgica, Brout trabajó junto a Englert para formalizar la idea de Anderson utilizando diagramas de Feynman. Enviaron su artículo antes del verano de 1964 y se publicó al final de verano en Physical Review Letters. El artículo de Brout y Englert no citó el trabajo previo de Anderson, que fue fundamental para la línea de investigación que llega hasta Higgs y que ya he contado en otra ocasión.

Por todo ello mucha gente cree que Anderson merece el Premio Nobel de Física de este año, pero quizás ha pesado mucho que ya tiene otro más y que el bosón de Higgs se llama “de Higgs” y no “de Anderson” o “de Brout-Englert” nombres quizás más apropiados al hilo de la historia. Pero cambiemos de historia, ¿qué es la higgsogénesis?


El universo nació con igual cantidad de materia y antimateria, pero hoy en día sólo observamos materia, estando la antimateria relegada a los laboratorios o a los fenómenos violentos del universo. La explicación usual de la asimetría entre materia y antimateria es la bariogénesis. La bariogénesis explica por qué hay unos diez mil millones más de fotones que de bariones (protones y neutrones) en el universo. En los primeros instantes del big bang hubo un pequeño exceso aleatorio de materia sobre antimateria, como de una partícula de materia más que de antimateria por cada diez mil millones de pares partícula-antipartícula. En cierto momento estos pares se aniquilaron creando un exceso de fotones y dejando un universo lleno de partículas, sin rastro de las antipartículas. La bariogénesis no es la única explicación posible y se han propuesto otras alternativas como la leptogénesis. Géraldine Servant, del ICREA (Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados, Barcelona, España, y Sean Tulin, de la Universidad de Michigan, EEUU, han propuesto una curiosa alternativa, la “Higgsogénesis”, es decir que el bosón de Higgs es responsables de la asimetría materia-antimateria.


Supongo que ya lo sabes, pero te lo recuerdo. La partícula de Higgs no tiene antipartícula, pues al ser una partícula escalar es como si fuera idéntica a su antipartícula. Sin embargo, a alta energía, en los primeros instantes del big bang, cuando aún no se ha producido la rotura espontánea de la simetría electrodébil, el campo de Higgs tiene cuatro componentes que se observan como cuatro partículas, dos Higgs neutros y dos Higgs carga opuesta. Estos parejas de bosones de Higgs se comportan como parejas partícula-antipartícula, con lo que en el universo primitivo hubo tanto bosones de Higgs como anti-Higgs. La idea de Tulin y Servant es que había un desequilibrio entre el número de estas partículas. Como el Higgs interactúa con la materia ordinaria, el desequilibrio en el número de Higgs y anti-Higgs podría haberse traducido en una asimetría en la cantidad de materia y antimateria del universo. Lo que han llamado Higgsogénesis parafraseando la bariogénesis y la leptogénesis (de hecho también se ha propuesto la neutrinogénesis).


Lo más curioso de la teoría de Tulin y Servant es que si el campo de Higgs también interaccionó con la materia oscura podría producir una relación entre la materia oscura y la materia bariónica, similar a la que observamos en el universo actual. Quizás por pura casualidad, o quizás porque esta idea es más profunda de lo que parece, tratando de explicar la asimetría materia-antimateria Tulin y Servant han realizado una postdicción sorprendente.

¿Se puede verificar la idea de Tulin y Servant usando las colisiones del LHC en el CERN? No parece fácil, pero si su teoría es correcta el bosón de Higgs debería desintegrarse en partículas de materia oscura que no podrían ser detectadas y se observarían como pérdidas de energía en las colisiones. Habrá que esperar al menos un lustro para verificarlo, pero creo que merece la pena hacerlo. Por supuesto, ya se han publicado otras propuestas alternativas para la higgsogénesis (un nombre tan atractivo es normal que atraiga a muchos físicos teóricos). Lo más seguro es que esta idea pase sin pena ni gloria por los libros de historia, pero me gustaría estar equivocado. La mente de los físicos teóricos es extremadamente calenturienta, pero a los aficionados a estos temas nos encanta que así sea.



Francis (th)E mule Science's News


Mientras, el martes al mediodia, la Real Academia Sueca de las Ciencias descolgaba todos los telefonos habidos y por haber tratando de localizarlo para comunicarle que le habia concedido el Nobel de Fisica de este año, Peter Higgs, de 84 años, almorzaba tranquilamente en un restaurante del barrio de Leith, en Edimburgo. Aunque no se habia ido de vacaciones, como algunos creían al principio, nadie era capaz de dar con él. En Estocolmo, viendo que no había manera, se saltaron el protocolo habitual y anunciaron el premio sin que uno de los galardonados (lo comparte con el belga Francoise Englert) tuviera constancia de ello.

Pasaría todavía un rato hasta que Higgs por fin supiera que, medio siglo después de proponer la existencia del bosón que lleva su nombre, una teoría confirmado por el CERN de Ginebra en 2012, el sabio británico alcanzaba el reconocimiento mundial que merecía.

"Una antigua vecina me vio por la calle, se bajo del coche y me dio la enhorabuena. Entonces, yo le pregunté que por que. '¡Por el Nobel! Me ha llamado mi hija desde Londres para contármelo!'", relataba el físico británico esta mañana, en el transcurso de la rueda de prensa que ha concedido para mostrar públicamente sus impresiones. "Luego, cuando ya llegué a casa, vi todos los mensajes y me di cuenta de que era verdad', añadía Higgs, un hombre poco mediático y en cierta medida incómodo por el revuelo mediático generado en torno a su discreta figura.

Discreto, en camisa, como si tampoco fuera para tanto, ha dejado alguna que otra anécdota curiosa en la amena charla que ha tenido con los periodistas. Él, como otros tantos genios del pasado, tampoco destacó especialmente en el colegio. "Me atraían más las matemáticas y la química, pero llegó un momento en que la Física se me cruzó y me atrapó", relataba, sereno y afable, natural y humilde, el hombre que en 1964 fue capaz de formular una teoría que no se pudo demostrar hasta el año pasado.
 
 
 
ELMUNDO.es
 

Desde 1901, han recibido el Premio Nobel de Física 196 científicos. Los dos últimos se han anunciado esta misma mañana, aunque muy pocos teníamos dudas sobre quiénes serían, el físico escocés Peter W. Higgs (Universidad de Edinburgo, Escocia, Gran Bretaña) y el físico belga François Englert (Universidad Libre de Bruselas, Bélgica). El físico belga Robert Brout también habría recibido el galardón si no hubiera fallecido en el año 2011. Los tres desarrollaron en 1964 el mecanismo de Brout-Englert-Higgs de rotura espontánea de la simetría electrodébil que da origen a la masa de las partículas fundamentales, mecanismo que predice la existencia de una nueva partícula, el bosón de Brout-Englert-Higgs, un bosón escalar que fue observado en las colisiones del LHC en el CERN el 4 de julio de 2012. Hoy sabemos que dicho bosón escalar se comporta como predice la teoría, llamada modelo estándar, dentro de las cotas experimentales previstas. En este blog he hablado tanto del bosón de Higgs que hay poco que pueda decir más. Así que os dejo los vídeos de mi conferencia en diciembre de 2012 sobre el bosón de Higgs. ¡Qué los disfrutéis!

http://vimeo.com/66835655

http://vimeo.com/66892689

http://vimeo.com/66953665

http://vimeo.com/69300956

Por cierto, acerté mi predicción en La Rosa de los Vientos. Era una predicción segura, pero bueno.

Te recomiendo leer: el anuncio oficial del premio [PDF], la nota de prensa oficial [HTML], información divulgativa para todos [PDF] e información técnica para físicos [PDF].


No te voy a resumir la información técnica que acompaña el Premio, pues no me gusta cómo se describen los detalles del mecanismo de rotura espontánea de la simetría de Brout-Englert-Higgs. Por ejemplo, decir que hay campos “invisibles” que llenan el espacio (“invisible fields fill space”) no tiene sentido; ¿es invisible lo que observo como partículas? ¿es invisible un campo electromagnético? ¿es invisible la gravedad? O por ejemplo, decir que el Higgs es un campo “fantasma” (“the ghost-like Higgs field”) tampoco tiene sentido (en física se usa el concepto de campo/partícula fantasma en otro sentido muy diferente); frases como “even if space were to be emptied completely, it would still be filled by a ghost-like field that refuses to shut down: the Higgs field” no tienen ningún sentido (el espaciotiempo vacío está relleno de campos cuánticos que fluctúan constantemente dando lugar a partículas virtuales).


Me gusta que se destaque la conexión cosmológica entre el campo de Higgs y el Big Bang (algo que no gusta a muchos físicos de partículas, pero que yo he destacado mucho en este blog). Los físicos creemos que el universo nació simétrico y que sufrió múltiples roturas de simetría hasta llegar al estado actual, muy poco simétrico (con todas las simetrías muy ocultas). La rotura de la simetría electrodébil ocurrió cuando el universo tenía diez billonésimas de segundo de existencia. A partir de ese momento se acopló a los bosones vectoriales dotándolos de masa, así como a los fermiones.


También me gusta que se destaque la importancia del descubrimiento experimental en los detectores ATLAS y CMS del LHC en el CERN. En esta figura se presenta a la izquierda un suceso de ATLAS en el que un Higgs se desintegra en dos bosones Z que a su vez producen cuatro muones (líneas rojas) y a la derecha uno de CMS en el que un Higgs se desintegra mediante un vértice triangular de tres bosones W en dos fotones (líneas verdes).

Y finalmente me gusta que la información técnica sobre el premio incluya el lagrangiano del modelo estándar previo a la rotura de la simetría electrodébil así como la formulación matemática del campo de Higgs. Un poco de matemática nunca hace daño a los ojos de los lectores que quieren saber más.

Francis (th)E mule Science's News


La teoría del big bang, la gran explosión, asume que el universo inició la flecha del tiempo y la expansión cósmica hace 13 800 millones de años. Hoy en día el universo es más grande de lo necesario para explicar por qué es tan homogéneo y tan isótropo a grandes escalas. El universo visible tiene un radio de unos 93.000 millones de años luz, un radio mucho mayor que lo que puede recorrer la luz durante toda su edad, 13.800 millones de años, ya que el universo está en expansión. La explicación más sencilla es la inflación cósmica introducida en 1981 por el físico Alan H. Guth y otros físicos (como Andrei Linde, Andreas Albrecht y Paul Steinhardt). Las inhomogenidades y las anisotropías en los primeros instantes de la gran explosión serían aplanadas por una hiperaceleración brevísima de la expansión del universo en los primeros instantes del big bang que daría lugar a un universo plano, homogéneo e isótropo, compatible con el análisis del fondo cósmico de microondas observado por el telescopio espacial Planck de la ESA. Hoy en día la inflación forma parte del modelo cosmológico de consenso y muy pocos cosmólogos dudan de su existencia.

Cuando los físicos teóricos tienen un problema siempre prueban con la solución más sencilla. El responsable de la inflación cósmica, la fuente de la energía inflacionaria, debe ser repulsiva para la gravedad. La manera más sencilla de lograr energía repulsiva es mediante un campo cuántico escalar, llamado inflatón. Todos los físicos que estudian QFT empiezan estudiando los campos escalares, por ser los más sencillos, así que tienden a usar campos escalares como primera explicación para todo. Las partículas del campo inflatón se llaman inflatones. Los detalles de la inflación cósmica dependen del potencial de autointeracción del inflatón, es decir, cómo los inflatones interaccionan con otros inflatones. Este potencial determina la tasa de hiperexpansión cósmica durante la inflación y el mecanismo de parada de la hiperexpansión que resulta en la expansión cósmica de Hubble. Por fortuna, la forma exacta de este potencial conduce a diferentes tipos de inflación que se diferencian en el tamaño de las pequeñas inhomogeneidades y anisotropías que permanecen tras la inflación y que más tarde dan lugar a la formación de las primeras galaxias. El análisis de la polarización del fondo cósmico de microondas observado por el telescopio espacial Planck, que se publicará en junio de 2014, se espera que permita descartar algunos modelos para el campo inflatón, dándonos una información muy valiosa sobre este periodo primigenio del universo.

¿Qué tiene que ver la inflación con el campo de Higgs? Como el inflatón y el Higgs son campos escalares (campos de espín cero), la primera propuesta de Alan Guth fue que el inflatón era el campo de Higgs, pero estudios posteriores apuntaron indicios en contra de esta idea. Los datos del fondo cósmico de microondas obtenidos por el telescopio espacial WMAP, asumiendo que el campo de Higgs es el campo inflatón, permiten acotar cosmológicamente la masa del bosón de Higgs como entre 135,6 GeV y 184,5 GeV. Como el bosón de Higgs observado tiene una masa menor de 125,7 GeV podemos estar bastante seguros que no es idéntico al inflatón. Lo que no quita que pueda haber alguna relación entre ambos campos.

Por otro lado, la existencia de las partículas escalares fundamentales fue puesta en duda por algunos teóricos, pero al haberse descubierto el bosón de Higgs en el CERN es una prueba a favor de la existencia de otras partículas escalares como el inflatón. Más aún, hay varios modelos que proponen que el campo de Higgs podría ser el inflatón o al menos estar fuertemente acoplado con el inflatón. De hecho, todo depende de cómo sea el acoplo entre el campo de Higgs y la gravedad. Recuerda que en la teoría de Einstein gravitan la energía y el momento; en sentido estricto la masa no es LA fuente de la gravedad, pues incluso las partículas sin masa gravitan. La masa gravita porque es energía. Como el Higgs es un campo escalar, se puede acoplar a la gravedad usando un acoplo “no mínimo” (es decir, añadiendo al lagrangiano un término adicional con una nueva constante de acoplo a determinar de forma experimental). Un valor razonable de esta constante permite hacer compatible con los resultados experimentales el campo de Higgs como campo inflatón. En febrero de 2013 se publicó en PRL un artículo de Michael Atkins y Xavier Calmet, ambos en la University of Sussex, Brighton, UK, que estudiaba en detalle este asunto mediante una teoría efectiva, la ecuación del grupo de renormalización. Con los datos del telescopio espacial Planck de la ESA publicados en marzo de 2013 no se puede excluir esta posibilidad, pero no está favorecida por los datos del LHC en el CERN, como aclaró Alberto Salvio, de la Universidad Autónoma de Madrid y el Instituto de Física Teórica IFT-UAM/CSIC, Madrid, en un artículo que publicó en agosto de 2013.

Lo dicho, el inflatón y el Higgs son campos escalares que podrían ser el mismo campo, pero hay argumentos teóricos e indicios experimentales que apuntan a que son dos campos diferentes, aunque podrían estar acoplados de alguna forma. Hay multitud de teorías que lo afirman, pero no tengo tiempo de discutirlas.

Mañana martes 8 de octubre se anunciará a los ganadores del Premio Nobel de Física, que en mi predicción y la de muchos físicos serán Peter Higgs y François Englert.
 
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La masa del bosón de Higgs y del quark top (cima) apuntan a que el vacío del modelo estándar es metaestable, aunque no estamos del todo seguros porque está en el borde entre estable y metaestable. Además, los errores son muy grandes, tanto los experimentales, sobre todo en la masa del quark top, como los teóricos, hay que extrapolar los cálculos hasta la escala de Planck y las correcciones de mayor orden podrían ser importantes. Quizás sea por puro azar, o quizás haya algo profundo oculto, pero las masas del Higgs y del quark top parecen ajustadas en un punto crítico doble en relación a la estabilidad del vacío. Nos lo contó Pier Paolo Giardino (Univ. Pisa / INFN Pisa), “Is that a Standard Higgs? And now?,” CP³ Origins, slides pdf / video flash. Su artículo técnico es Dario Buttazzo, Giuseppe Degrassi, Pier Paolo Giardino, Gian F. Giudice, Filippo Sala, Alberto Salvio, Alessandro Strumia, “Investigating the near-criticality of the Higgs boson,” arXiv:1307.3536 [hep-ph].

El vacío del modelo estándar viene determinado por el vacío del campo de Higgs. El potencial del campo de Higgs, el famoso sombrero mexicano, es V(H) = −½ m2(μ) |H|2 + λ(μ) |H|4), donde la masa m(μ) y la constante de acoplo λ(μ) dependen de la energía según las ecuaciones del grupo de renormalización. A alta energía el potencial se puede aproximar como V(H) ≈ λ(μ) |H|4, siendo el signo de λ(μ) el que determina la estabilidad del vacío del campo de Higgs y del modelo estándar. La función λ(μ) es monótona decreciente y parte de un valor inicial positivo λ(0)>0. El vacío es estable si λ(MPl )>0, donde es MPl es la energía de Planck, es inestable si λ(MEW)<0, donde MEW es la energía de la escala electrodébil, y es metaestable si λ(μ)=0 para algún valor de MEW < μ < MPl. Ya sabemos que el vacío no puede ser inestable, porque existimos. Los valores actuales de las masas del bosón de Higgs (125,66 ± 0,34 GeV) y del quark top (173,36 ± 0,65 GeV) indican que el vacío del modelo estándar es metaestable y λ(μ)=0 para 1010 GeV < μ < 1012 GeV. La mayor incertidumbre experimental se encuentra en el valor de la masa del quark top.


Esta figura muestra la estabilidad del modelo estándar en el plano definido por λ(MPl) y el acoplo de Yukawa para el quark top yt(MPl); la función yt(MPl) también es decreciente y parte de un valor yt(0) ≈ 1. La parte derecha es un zoom donde se puede observar una raya gris casi horizontal en la zona de metaestabilidad (en amarillo). Realmente parece que las masas del Higgs y del quark top están ajustadas para que el modelo estándar sea metaestable por alguna razón física.

Por supuesto, el cálculo teórico asume que el modelo estándar es válido hasta la escala de Planck (es decir, entre ~1 y ~1015 TeV), pero hay indicios indirectos de que no es así (el mecanismo del balancín (see-saw) en la física de los neutrinos, la existencia de la materia oscura, o la asimetría materia-antimateria). Por ello, el cálculo a la energía de Planck de los parámetros del modelo estándar mediante el grupo de renormalización hay que tomarlo con sumo cuidado. Recuerda que todos los parámetros del modelo estándar (constantes de acoplo y masas de partículas) cambian con la energía (μ).


El cálculo teórico requiere determinar la evolución con la energía de seis parámetros (mostrados en esta tabla) hasta energías en la escala de Planck. En la actualidad el cálculo ha sido realizado sólo hasta el orden NNLO (hasta 3 loops) y se cree que las correcciones NNNLO serán pequeñas. Estos cálculos se realizan con la ayuda de ordenadores y no es fácil estimar cuándo estará listo el resultado hasta NNNLO.


El modelo estándar mínimo se basa en un potencial V(H) cuártico para el Higgs, pero nada prohíbe que el campo del Higgs sea más complicado a alta energía. La estabilidad del modelo estándar implicaría la existencia de otros mínimos locales a alta energía, lo que tendría la ventaja de que podría explicar la física de la inflación (es decir, el campo de Higgs sería el campo inflatón). Nuestro vacío sería el “verdadero vacío” (mínimo global) y el vacío a alta energía sería un “falso vacío” (mínimo local).


La metaestabilidad del modelo estándar a la que apuntan los datos actuales implica que vivimos en un “falso vacío” (mínimo local) y que existe un mínimo global del campo de Higgs a alta energía. Nuestro falso vacío, por efecto túnel, puede transitar al vacío verdadero. Este proceso debe ser muy poco probable, con una vida media mayor que la edad del universo (si no fuera así ya no existiríamos). ¿Cuándo puede ocurrir este proceso? No lo sabemos, podría ocurrir mañana mismo o dentro de unos cientos de miles de millones de años. Las estimaciones más “realistas” apuntan a que podría ocurrir en unas decenas de miles de millones de años. Pero todo esto es especulación científica pues no conocemos los detalles del potencial del campo de Higgs.

¿Qué pasará cuando el vacío metaestable pase por efecto túnel al verdadero vacío? Sidney Coleman (y físicos rusos) estudiaron este fenómeno a principios de los 1970. Resumiendo mucho, en el vacío se formarían (nucleación) burbujas de energía negativa cuyo radio crecería a la velocidad de la luz; cuando todas las burbujas colisionaran unas con otras se destruiría todo el universo conocido, aunque el universo como tal podría sobrevivir en su nuevo estado de vacío. Los detalles dependen de la cantidad de energía oscura que haya cuando se produzca el efecto túnel al nuevo vacío y de las características del vacío verdadero. Por supuesto, los cálculos de Coleman no tienen en cuenta el efecto a energías de la escala de Planck de la gravedad cuántica. No se conoce la teoría cuántica correcta de la gravedad, por lo que no podemos saber qué pasará, pero muchos físicos creen que el proceso se parará de alguna forma. Lo que pueda pasar más allá de este momento es pura especulación.

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Mucha gente olvida la enorme importancia de los cálculos teóricos sobre las desintegraciones del bosón de Higgs del modelo estándar en el descubrimiento temprano del Higgs en el LHC en julio de 2012. Estos cálculos han sido realizados por los físicos especialistas en fenomenología del modelo estándar. Gracias a que la sección eficaz (o probabilidad) de desintegración del Higgs ha crecido conforme se han obtenido mejores predicciones teóricas se pudo realizar el descubrimiento (alcanzar 5 sigmas) hace un año. Puede parecer trivial pasar de NLO a NNLO, pero ha requerido un gran esfuerzo; de hecho, aún no se ha calculado el siguiente orden NNNLO, aunque se está trabajando en ello. Esta figura muestra el límite de exclusión obtenido por el Tevatrón Run II en el Fermilab (línea negra continua) comparado con las predicciones del modelo estándar (SM=1) para el primer orden (LO), segundo orden (NLO) y tercer orden (NNLO). Para el LHC los resultados teóricos son similares. Todo el mundo espera que los cálculos NNNLO estén disponibles antes de 2015, luego antes de que se acumulen nuevas colisiones en el LHC se podrá mejorar nuestro conocimiento sobre el Higgs utilizando las colisiones de 2011 y 2012. Nos lo contó Robert Harlander (Bergische Universität Wuppertal), “Discovery of a Higgs boson – The role of theory,” slides LHCP’13, May 13, 2013, y nos lo recuerda Christophe Grojean (ICREA@IFAE/Barcelona), “The scalar sector of the SM and beyond,” slides HEP-EPS’13, July 22, 2013.

Dibujo20130722 higgs hadron-level cross section LO NLO NNLO NNNLOapprox

Como muestra esta figura, se estima que las correcciones NNNLO serán pequeñas, pero también serán a favor respecto al cálculo NNLO, que fue un ~30% mayor que las correcciones NLO, que fueron un ~80% mayor que las correcciones LO; hay correcciones llamadas NNLL que son un ~10% mayores que las NNLO. Recuerda que LO significa “leading order” y que NLO es “next to leading order” y así de forma sucesiva. Estos valores se obtienen calculando una enorme cantidad de diagramas de Feynman y utilizando simulaciones de tipo Montecarlo. Los ordenadores son imprescindibles, pero la explosión combinatoria requiere que físicos expertos “ordenen” los cálculos de forma adecuada para reducir el coste.


Mi objetivo con esta entrada no es mostrar cómo se realizan estos cálculos sino la gran variación que hay en todos los parámetros del bosón de Higgs en función de las predicciones teóricas. En este último año no sólo se han analizado más datos de colisiones sino también se han mejorado los cálculos teóricos. Esto es importante tenerlo muy presente cuando se interpreta un resultado como μ = 1,30 ± 0,20 para el cociente entre la sección eficaz total del Higgs observado (a fecha de marzo de 2013 tras el análisis en ATLAS de todos las colisiones de 2011 y 2012) y la predicción del modelo estándar. No se puede afirmar que dicho resultado implica que μ está a 1,5 σ de la unidad, pues el cálculo teórico NNNLO hará que se encuentre a menos de 1 σ (aunque todavía no se ha realizado este cálculo, ya hay aproximaciones al resultado). El acuerdo entre experimento y teoría es mejor de lo que muestra un número o una figura obtenida usando los cálculos teóricos actuales.

 
 
Interpretar los resultados de los experimentos nunca ha sido fácil en física, pero para problemas tan complejos como los de física de partículas en enormes instalaciones como los grandes detectores del LHC lo es aún más.
 

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