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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).
 
 
 
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