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Hace diez años, el 4 de julio de 2012, la colaboración entre los detectores ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) dieron lugar al descubrimiento de una nueva partícula con características con las características predichas por el Modelo Estándar de física de partículas para el Bosón de Higgs. El descubrimiento fue un hito en la historia de la ciencia y capturó la atención del mundo entero. Un año más tarde le valió a François Englert y Peter Higgs el Premio Nobel de Física por su predicción hecha décadas antes, junto con el difunto Robert Brout, de un nuevo campo fundamental, conocido como el campo de Higgs, que impregna el universo, se manifiesta como el bosón de Higgs y da masa a las partículas elementales.
«El descubrimiento del bosón de Higgs fue un hito monumental en la física de partículas. Marcó tanto el final de un viaje de exploración de décadas como el comienzo de una nueva era de estudios de esta partícula tan especial», cuenta Fabiola Gianotti, Directora General del CERN y portavoz del experimento ATLAS en el momento del descubrimiento. «Recuerdo con emoción el día del anuncio, un día de inmensa alegría para la comunidad mundial de la física de partículas y para todas las personas que trabajaron incansablemente durante décadas para hacer posible este descubrimiento».
Peter Higgs
Desde entonces, en solo diez años, los físicos han dado enormes pasos en nuestra comprensión del universo. Diez años después de la primera observación informada del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, los resultados más actualizados de las propiedades de esta partícula elemental se presentan en dos artículos publicados en Nature bajo los títulos A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery y
A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery.
¿Qué hemos descubierto hasta ahora gracias al Bosón de Higgs?
La nueva partícula descubierta en 2012 se parecía mucho al bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar pero, ¿era en realidad esa partícula buscada durante tanto tiempo? Tan pronto como se hizo el descubrimiento, ATLAS y CMS se propusieron investigar en detalle sus propiedades para corroborarlo.
Mediante los datos obtenidos de la desintegración de la nueva partícula en dos fotones, los portadores de la fuerza electromagnética, los experimentos han demostrado que la nueva partícula no tiene momento angular intrínseco, o espín cuántico, exactamente como había sido predicho por el Modelo Estándar. Por el contrario, todas las demás partículas elementales conocidas tienen espín: las partículas de materia, como los quarks «arriba» y «abajo» que forman protones y neutrones, y las partículas portadoras de fuerza, como los bosones W y Z.
Modelo Estándar de la Física de partículas
Modelo Estándar de la Física de partículas
Toda la materia que nos rodea está hecha de partículas elementales, los componentes básicos de la materia. Estas partículas se presentan en dos tipos básicos llamados quarks y leptones. Cada grupo consta de seis partículas, que están relacionadas en pares, o «generaciones».
Al observar los bosones de Higgs que se producen y se descomponen en pares de bosones W o Z, ATLAS y CMS confirmaron que estos ganan su masa a través de sus interacciones con el campo de Higgs, como lo predice el Modelo Estándar. La fuerza de estas interacciones explica el corto alcance de la fuerza débil, que es responsable de una forma de radiactividad y la responsable del inicio de la reacción de fusión nuclear que alimenta a estrellas como el Sol.
Los experimentos también han demostrado que el quark top, el quark inferior y el leptón tau, que son los fermiones más pesados, obtienen su masa de sus interacciones con el campo de Higgs, nuevamente según lo predicho por el Modelo Estándar. Estas observaciones confirmaron la existencia de una interacción, o fuerza, llamada interacción de Yukawa, que es parte del Modelo Estándar pero es diferente a todas las demás fuerzas en este: está mediada por el bosón de Higgs, y su fuerza no está cuantizada, es decir, no viene en múltiplos de una determinada unidad.
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Gran Colisionador de Hadrones
Pero ATLAS y CMS también midieron la masa del bosón de Higgs en 125.000 millones de electronvoltios (GeV), con una precisión impresionante. La masa del bosón de Higgs es una constante fundamental de la naturaleza que no es predicha por el Modelo Estándar. Además, junto con la masa de la partícula elemental más pesada conocida, el quark top y otros parámetros, la masa del bosón de Higgs puede determinar la estabilidad del vacío del universo.
Estos son solo algunos de los resultados concretos de diez años de exploración del bosón de Higgs en el colisionador más grande y poderoso del mundo, el único lugar donde esta partícula única se puede producir y estudiar en detalle. «Las grandes muestras de datos proporcionadas por el LHC, el rendimiento excepcional de los detectores ATLAS y CMS, y las nuevas técnicas de análisis han permitido extender la sensibilidad de sus mediciones del bosón de Higgs más allá de lo que se creía posible cuando se diseñaron los experimentos», declara el portavoz de ATLAS, Andreas Hoecker.
El detector CMS del LHC al descubierto
as colaboraciones del LHC han descubierto más de 60 partículas compuestas predichas por el Modelo Estándar,
Además, desde que el LHC comenzó a colisionar protones a energías récord en 2010, y gracias a la sensibilidad y precisión sin precedentes de los cuatro experimentos principales, l
algunas de las cuales son exóticos ‘tetraquarks’ y ‘pentaquarks’.
Los experimentos también han revelado una serie de intrigantes indicios de desviaciones del Modelo Estándar, y han estudiado el plasma de quarks-gluones que llenó el universo en sus primeros momentos con un detalle sin precedentes. También han observado muchos procesos de partículas raras, han realizado mediciones cada vez más precisas de los fenómenos del Modelo Estándar y han abierto nuevos caminos en la búsqueda de nuevas partículas más allá de las predichas por este, incluidas partículas que pueden formar la materia oscura que representa la mayor parte de la masa del universo.
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El bosón W, la partícula que desafía la física
Los resultados de estas búsquedas añaden piezas importantes a nuestra comprensión de la física fundamental. «Los descubrimientos en física de partículas no tienen que significar nuevas partículas», declara el Director de Investigación y Computación del CERN, Joachim Mnich. «Los resultados del LHC obtenidos durante una década de funcionamiento de la máquina nos han permitido difundir una red mucho más amplia en nuestras búsquedas, estableciendo fuertes límites en posibles extensiones del Modelo Estándar, y encontrar nuevas técnicas de búsqueda y análisis de datos».
Sorprendentemente, se cree que todos los resultados del LHC obtenidos hasta ahora s suponen solo el 5% de la cantidad total de datos que el colisionador entregará en su vida útil. «Con esta muestra ‘pequeña’, el LHC ha permitido grandes avances en nuestra comprensión de las partículas elementales y sus interacciones», añade por su parte el teórico del CERN Michelangelo Mangano. «Y aunque todos los resultados obtenidos hasta ahora son consistentes con el Modelo Estándar, todavía hay mucho espacio para nuevos fenómenos más allá de lo que predice esta teoría». «El bosón de Higgs en sí mismo puede apuntar a nuevos fenómenos, incluidos algunos que podrían ser responsables de la materia oscura en el universo», matiza el portavoz de CMS, Luca Malgeri. «ATLAS y CMS están realizando muchas búsquedas para sondear todas las formas de procesos inesperados que involucran al bosón de Higgs».
¿Qué queda por aprender sobre el campo de Higgs y el bosón de Higgs diez años después?
La respuesta corta: mucho. ¿El campo de Higgs también da masa a los fermiones más ligeros o podría estar en juego otro mecanismo? ¿Es el bosón de Higgs una partícula elemental o compuesta? ¿Puede interactuar con la materia oscura y revelar la naturaleza de esta misteriosa forma de materia? ¿Qué genera la masa y la autointeracción del bosón de Higgs? ¿Tiene gemelos o parientes?
Encontrar las respuestas a estas y otras preguntas intrigantes no solo mejorará nuestra comprensión del universo en las escalas más pequeñas, sino que también puede ayudar a descubrir algunos de los mayores misterios del universo en su conjunto, por ejemplo cómo llegó a ser lo que es y cuál podría ser su destino final.
«Los colisionadores de alta energía siguen siendo el microscopio más poderoso a nuestra disposición para explorar la naturaleza a las escalas más pequeñas».
La naturaleza del bosón de Higgs, en particular, podría contener las claves para una mejor comprensión del desequilibrio entre la materia y la antimateria y la estabilidad del vacío en el universo. Si bien las respuestas a algunas de estas preguntas pueden ser proporcionadas por por el actual colisionador, se cree que el LHC de alta luminosidad, que se espera esté en funcionamiento a partir de 2029, proporcione las respuestas a otros enigmas que por ahora están fuera del alcance del LHC.
Por esta razón, el CERN y sus socios internacionales están investigando la viabilidad técnica y financiera de una máquina mucho más grande y potente, el Future Circular Collider, en respuesta a una recomendación hecha en la última actualización de la Estrategia Europea para la Física de Partículas. «Los colisionadores de alta energía siguen siendo el microscopio más poderoso a nuestra disposición para explorar la naturaleza a las escalas más pequeñas y descubrir las leyes fundamentales que gobiernan el universo», declara Gian Giudice, jefe del departamento de Teoría del CERN.
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Confirmada una propiedad de la antimateria
«Además, estas máquinas también traen enormes beneficios sociales». Históricamente, las tecnologías de aceleradores, detectores y computación asociadas con los colisionadores de alta energía han tenido un gran impacto positivo en la sociedad, con inventos como el escáner PET (Tomografía por Emisión de Positrones) y el diseño de aceleradores para la terapia con hadrones en el tratamiento de cánceres. Además, el diseño, la construcción y la operación de colisionadores y experimentos de física de partículas han dado como resultado la formación de nuevas generaciones de científicos y profesionales en otros campos, y en un modelo único de colaboración internacional.
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