EL DESCUBRIMIENTO DEL BOSÓN DE HIGGS

Tras el descubrimiento del bosón de Higgs en el año 2012, la física estadounidense Lisa Randall escribió un pequeño libro de unas 70 páginas en las que explicaba las claves de este descubrimiento, el por qué de la importancia de esta partícula y algunas de sus características principales.

Portada del libro "El descubrimiento del Higgs. Una partícula muy especial", escrito por Lisa Randall

Características Principales del Bosón de Higgs

El campo de Higgs (cuyo módulo al cuadrado en un punto nos da la probabilidad de encontrar al bosón de Higgs en ese punto) impregna el vacío y tiene un valor no nulo. Esto es especial porque implica que el bosón de Higgs debe ser un nuevo tipo de partícula: una partícula escalar. Y lo es porque:

• Tiene spin=0 lo que significa que, como el bosón de Higgs impregna todo el espacio, este no tiene direcciones privilegiadas. El spin es una propiedad de las partículas que nos dice como esperamos que esta se comporte ante rotaciones. Al tener spin 0, el bosón de Higgs no cambia bajo transformaciones de simetría espacio-temporales tales como rotaciones. Si la partícula creada por el campo tuviera spin no nulo, la simetría de rotación y la simetría de Lorentz (simetría de rotación que incluye el tiempo) tambíen se rompería.

• Tiene carga=0 debido a que el campo electromagnético es invariante ante rotaciones, lo que hace que solo exista un campo eléctrico si hay una carga. El campo eléctrico solo aparece si hay materia cargada, sino se rompe la simetría rotacional. El  bosón de Higgs puede aparecer en el vacío porque no se rompe ninguna simetría cuando lo hace. Si el campo llevara carga, podría desaparecer carga en el vacío y esta no se conservaría. Si el campo cambia bajo rotaciones, el vacío no conservaría la simetría de rotación.

Así pues la partícula creada debe ser especial, y lo es. Hasta este descubrimiento no existía una partícula escalar elemental (solo los mesones, que no son elementales al estar constituidos por un quark y un antiquark).

Importancia del Bosón de Higgs

El descubrimiento de Higgs salva la validez del Modelo Estándar, la teoría que describe el mundo subatómico y vigente desde principios de la década de los 70. Aunque esta teoría realiza gran cantidad de predicciones acertadas, no es capaz de explicar el origen de la masa de las partículas si no es mediante el bosón de Higgs. Si este bosón no se descubriera, el Modelo Estándar carecería de coherencia interna y habría que corregirlo o buscar una nueva teoría que lo sustituyera.

Descubrimiento en el LHC

La tarea de buscar una partícula de masa desconocida y que no deja rastros directos es muy complicada. Se empieza fijando un valor posible para la masa del bosón de Higgs y calculando teóricamente sus distintos canales de desintegración, esto es, las combinaciones de partículas en las que puede decaer el bosón de Higgs.

En el caso del bosón de Higgs, este puede desintegrarse como:

• Un quark y un antiquark bottom. Estas partículas son demasiado comunes en el LHC, lo que hace muy difícil identificar aquellos pocos que tuvieron como origen el bosón de Higgs.

• Bosones gauge débiles W+, W- y Z°. Estos son demasiado pesados para surgir como partículas normales. Aparecen como partículas virtuales con suma de masa incorrecta (que violan el principio de conservación de la energía) durante un tiempo permitido por el Principio de Incertidumbre. Por ello se desintegran rápidamente en otras partículas y no pueden ser detectados directamente.

• En 2 fotones que no interaccionan directamente con el bosón de Higgs, con lo que son productos de desintegración de partículas intermedias (partículas virtuales con masas incorrectas).

A continuación hay que analizar los datos obtenidos de las colisiones en los aceleradores en busca de esas partículas, posibles "residuos" del bosón de Higgs. Si los resultados concuerdan con los valores teóricos en ausencia del bosón de Higgs, entonces se excluye su presencia para esa energía. Sin embargo, si se observa un exceso de esas partículas, sería una señal de la existencia de un bosón de Higgs con dicha masa.

Resultado del CMS para el canal de desintegración de dos fotones. La pequeña prominencia en la curva es el bosón de Higss, a unos 125 GeV (CERN/CMS)

Así es cómo los científicos han conseguido, poco a poco, delimitar la masa del bosón de Higgs en torno a los 125-126 GeV. Es decir, no sólo han logrado descartar su presencia en el resto de rangos de energía, sino que además han encontrado evidencias del bosón de Higgs para esa masa en dos canales de desintegración; en concreto la desintegración en dos fotones (ver imagen superior) y la desintegración en dos bosones Z, que a su vez se desintegran en cuatro leptones cargados. (Estos dos canales de desintegración son más fáciles de detectar en el LHC debido a las características de los detectores ATLAS y CMS.)

Montaje del calorímetro del detector ATLAS del LHC. Los ocho imanes toroidales rodean al calorímetro, que mide la energía de las partículas que se producen cuando los protones colisionan en el centro del detector

Pero resulta que estos dos procesos son muy poco habituales: el primero sólo ocurre el 0,2% de las veces, mientras que el otro sucede el 0,01%. Como es una cuestión de probabilidad, aquí es donde entra en juego la estadística y el realizar un gran número de colisiones.

El ATLAS es un detector de partículas ubicado en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Se utiliza para buscar posibles pruebas relacionadas con el origen de la masa y con la existencia de dimensiones adicionales

Este libro se centra en el descubrimiento del bosón de Higgs sin profundizar en cómo la partícula divina proporciona la masa a las partículas (la autora lo hace en otro libro más extenso). Lo considero importante y por eso quería añadir el siguiente apartado.

El Origen de la Masa

Las partículas elementales deben poseer masa (energía por existir). Sin embargo es muy difícil incorporar consistentemente una masa no nula para las partículas en el Modelo Estándar de Partículas sin estropear otros hechos básicos, como ciertas simetrías que sabemos que se cumplen. El bosón de Higgs y el Mecanismo de Higgs pueden solucionarlo.

El solenoide compacto de muones es un detector de partículas ubicado bajo tierra, en una gran caverna excavada en las instalaciones del Gran Colisionador de Hadrones. Este detector ayudará en la búsqueda del bosón de Higgs y en la adquisición de nuevos conocimientos acerca de la naturaleza de la materia oscura

Las propiedades de las interacciones y sus partículas mediadoras son consecuencia de las simetrías del Modelo Estándar. Es más, las propias interacciones son consecuencia de estas simetrías.

No obstante estas simetrías implican que las masas de las partículas mediadoras debe ser nula, lo que ocurre para el fotón, el gravitón y el gluón pero no para los bosones gauge débiles W+, W-, y Z°. A su vez la ausencia de estas simetrías puede provocar inconsistencias en el Modelo Estándar. Necesitamos que las ecuaciones sean simétricas con lo que la masa de las partículas debe ser nula. Esta inconsistencia hacía peligrar el Modelo Estándar completo.

Partículas fundamentales del Modelo Estándar

¿Cómo reconciliar pues las simetrías de las interacciones con la masa de las partículas? La respuesta es mediante el Mecanismo de Higgs, una manera elegante de solucionar esta aparente inconsistencia, y posiblemente la más sencilla. Por eso los científicos tenían tanta confianza en que lo acabarían encontrando.

En la propuesta de Higgs, el campo de Higgs impregna el espacio como si de un líquido viscoso se tratara haciendo que las partículas que interaccionan con él adquieran masa al friccionar con él y experimentar resistencia al movimiento.

Este mecanismo conserva la simetría y se solucionan las inconsistencias. A pesar de la masa, la simetría sigue estando ahí, aunque camuflada. El Campo de Higgs permite que las simetrías se rompan "aparentemente". La simetría permanece en las ecuaciones, pero no en las soluciones.

La diferencia de masa entre las partículas viene por la intensidad diferente de interacción de la partícula con el Campo de Higgs. Desafortunadamente el mecanismo de Higgs dice por qué las partículas tienen masa pero no cuánto debe valer, a excepción de los bosones gauge débiles. Los valores de estas masas han sido confirmados por experimentos en el CERN.

La Ruptura Espontánea de Simetría permite que las partículas mediadoras de las interacciones asociadas a las simetrías rotas adquieran masa. Igual que todas las partículas de la materia al interaccionar con el Campo de Higgs. Las simetrías que se rompen son las relacionadas con las interacciones cuyos bosones tienen masa, es decir, los bosones gauge débiles.

La interacción débil y la electromagnética provienen de una gran simetría, la llamada electrodébil. Esta simetría se camufla debido a que el Campo de Higgs es no nulo en el vacío. Sin embargo no toda la simetría se rompe porque los fotones no tienen masa al no interaccionar con el bosón de Higgs.

Valor no nulo del Campo de Higgs en el vacío

Al principio el Campo De Higgs tenía un valor nulo. Pero poco después del Big Bang, este campo tomó un valor no nulo debido a una transición de fase provocada por la bajada de la Temperatura. El enfriamiento del Universo (reducción de su energía) era entonces insuficiente para mantener la simetría.

A la izquierda el potencial de Higgs es nulo cuando el campo de Higgs también lo es. Sin embargo a la derecha se rompe esta simetría y el potencial es diferente de cero cuando el campo de Higgs es nulo 

Cuando el Universo se enfrió, un vacío sin el campo de Higgs era una configuración energética menos favorable que un vacío lleno de bosones de Higgs, que era el estado natural. En ese momento se produce la Ruptura Espontánea de la Simetría Electrodébil. Sin este fenómeno, los electrones no tendrían masa, se moverían a la velocidad de la luz con lo que no se hubieran podido formar los átomos, de ahí la importancia del Mecanismo de Higgs.