El bosón de Higgs

El 4 de julio del 2012 el CERN anunció el descubrimiento de una nueva partícula en el Large Hadron Collider (LHC) de enorme importancia para la comprensión de la estructura de la materia. La confirmación de la existencia del bosón de Higgs tiene para la física fundamental una relevancia equiparable a la que tuvo el descubrimiento del ADN en biología o la evidencia de la estructura atómica y molecular en química. Desde el punto de vista tecnológico representa un hito comparable a la llegada del hombre a la Luna, pero las repercusiones científicas son mucho más importantes. Es también un ejemplo paradigmático de colaboración internacional, a escala mundial y con liderazgo euro­peo, de unir los esfuerzos de toda la comunidad de físicos de partículas en pro de un gran objetivo común. Cuatro décadas de intenso trabajo científico y desarrollo de logros tecnológicos han permitido confirmar la existencia de un nuevo campo de fuerzas, postulado en 1964, que puede hacer encajar las últimas piezas del llamado modelo estándar de las interacciones fundamentales y, quizá, abrir una ventana a nuevos fenómenos de naturaleza insospechada.

«Cuatro décadas de intenso trabajo científico han permitido confirmar la existencia de un nuevo campo de fuerzas, postulado en 1964, que puede hacer encajar las últimas piezas del llamado modelo estándar de las interacciones fundamentales»

El modelo estándar es un marco conceptual extraordinariamente elegante y predictivo que, a partir de simples postulados de simetría, es capaz de determinar las propiedades dinámicas de las diferentes interacciones. Sus predicciones han sido comprobadas con gran precisión por un gran número de experimentos, y han confirmado que es la teoría correcta del mundo subatómico. Sin embargo, la formulación original tenía un grave problema que la hacía inaceptable: las mismas simetrías que determinan las interacciones implican que todas las partículas elementales tienen masa nula. Aunque eso significa una magnífica justificación teórica del alcance infinito de las interacciones electromagnéticas y fuertes, que son mediadas por partículas sin masa (el fotón y los gluones) que viajan a la velocidad de la luz, la ausencia de partículas masivas haría totalmente inviable la existencia del universo que conocemos.

El campo de Higgs

Las interacciones del modelo estándar están completamente determinadas por un conjunto de simetrías, definidas de forma independiente en cada punto del espacio-tiempo, denominadas «simetrías de gauge». Estas simetrías imponen que las partículas mediadoras de la interacción, también llamadas «bosones gauge», tengan masa nula. Afortunadamente, existe un mecanismo de «ruptura espontánea» de la simetría, capaz de generar sus masas manteniendo al mismo tiempo las simetrías que fijan la interacción. La idea subyacente es que parte de las simetrías pueden no ser respetadas por el vacío físico y, por tanto, por el espectro de estados obtenidos excitando este vacío. Hay muchos ejemplos en la naturaleza de configuraciones asimétricas en un sistema simétrico, por ejemplo, una bandada de aves volando en una dirección determinada rompe «espontáneamente» la simetría rotacional del cielo: todas las direcciones son a priori iguales, pero la elegida por las aves se convierte en especial.

La ruptura espontánea de una simetría de gauge fue analizada en tres artículos publicados en 1964 en la prestigiosa revista The Physical Review Letters. Los científicos belgas François Englert y Robert Brout firmaban el primero, el inglés Peter W. Higgs, el segundo, y el tercero, los americanos Gerald S. Guralnik y Carl R. Hayan y el inglés Thomas W. B. Kibble. Utilizando ideas aplicadas previamente en superconductividad, estos autores mostraron que cuando una interacción basada en simetrías de gauge se combina con un campo de fuerzas adicional que rompe espontáneamente la simetría, los bosones gauge pueden adquirir una masa finita. Posteriormente, Steven Weinberg y Abdus Salam incorporaron este mecanismo a la teoría electrodébil de Sheldon Glashow y así dieron lugar a lo que actualmente llamamos modelo estándar.

El modelo estándar utiliza una implementación sencilla del mecanismo de ruptura espontáneo de simetría, introduciendo un nuevo campo de fuerzas, llamado campo de Higgs, que al interaccionar con el W± y el Z genera la masa de estas dos partículas. El campo de Higgs tiene los mismos números cuánticos que el vacío físico, no tiene carga eléctrica ni carga fuerte (color), así que no interacciona con los fotones y gluones. Es un campo que impregna todo el espacio-tiempo y frena el movimiento de las partículas que interactúan en él, de manera que estas adquieren masa. Los fotones y gluones viajan a la velocidad de la luz porque no notan el campo de Higgs, continúan siendo por tanto partículas de masa cero. Como todo campo cuántico, el campo de Higgs tiene su propio mediador de la interacción, una excitación del campo de fuerzas llamada «bosón de Higgs». La auto­interacción del campo de Higgs con sí mismo genera también una masa para el bosón de Higgs.

Las masas de los leptones cargados y de los quarks se generan también mediante su interacción con el campo de Higgs. El variado espectro de masas que muestran los constituyentes de la materia refleja las muy diferentes intensidades que tienen sus correspondientes interacciones con el campo de Higgs: a más masa más interacción.

El bosón de Higgs es inestable; se desintegra muy rápidamente en una partícula y su correspondiente antipartícula. El canal de desintegración más probable será el de la partícula más pesada en la que pueda decaer y conservará la energía.

Evento observado por el detector CMS en colisiones protón-protón a 8.000 GeV. Las dos líneas discontinuas amarillas seguidas de torres verdes corresponden a dos fotones de muy alta energía, presumiblemente originados por la desintegración de la nueva partícula escalar. / Claudia Marcelloni

En busca del bosón de Higgs

Dada su importancia conceptual, dilucidar la posible existencia del bosón de Higgs ha sido el objetivo fundamental de la física de altas energías durante muchos años. Como la teoría no determina el valor de su masa, la busqueda del Higgs ha sido una cacería a ciegas, ya que desconocíamos dónde (¿a qué energía?) podíamos encontrarlo. Afortunadamente, las reglas del juego estaban muy bien definidas. Fijado un valor de la masa del bosón de Higgs, el modelo estándar predice con gran precisión todas sus propiedades. Eso nos ha permitido ir excluyendo gradualmente posibles regiones de masas, a medida que los aceleradores de partículas iban aumentando la energía disponible para producir el hipotético Higgs.

A finales del siglo xx, gracias a los datos (negativos) recogidos en el Large Electron-Positron Collider (LEP) del CERN, se había descartado la existencia del Higgs para masas inferiores a 114 GeV (1 GeV es aproximadamente la masa de un protón). Cuando este acelerador alcanzó su máxima energía, se observaron algunos sucesos anómalos que podrían ser interpretados mediante un bosón de Higgs con masa justo por encima de los 115 GeV, pero el número de eventos acumulados cuando se cerró el LEP era insuficiente para poder extraer conclusiones fiables.

«La búsqueda del Higgs ha sido una cacería a ciegas, ya que desconocíamos dónde (¿a qué energía?) podíamos encontrarlo. Afortunadamente, las reglas del juego estaban muy bien definidas»

Consideraciones teóricas de consistencia del modelo estándar indicaban también que la región de masas más probable debía estar entre los 115 y 150 GeV. Aunque la energía del LEP fuera demasiado pequeña para producirlo, un Higgs en esta región de masas modifica ligeramente, a través de efectos cuánticos, las propiedades del bosón Z que el LEP midió con gran precisión. El análisis de los datos permitió obtener evidencias convincentes de que el Higgs andaba cerca. No lo podíamos ver, pero sus huellas estaban en los datos recogidos. Desgraciadamente, tendríamos que esperar toda una década para resolver el enigma, hasta que el LHC entró en funcionamiento.

La caza del Higgs prosiguió de manera infructuosa en el Tevatrón del Fermi National Laboratory, situado cerca de Chicago (EE UU), que durante muchos años ostentó el récord mundial de energía: produjo colisiones de protones y antiprotones de 1 TeV (= 1.000 GeV). Aunque el Tevatrón tenía energía suficiente para producir el Higgs, el ruido de fondo impedía encontrar una señal. Como el bosón de Higgs es inestable, solo podemos buscar los productos de su desintegración, pero estas partículas secundarias también son producidas directamente y con mucha más intensidad por el colisionador. Es como buscar una aguja en un pajar. Después de muchos esfuerzos, el Tevatrón tan solo consiguió descartar la existencia del Higgs en una pequeña región de masas alrededor de los 160 GeV. Igual que sucedió en el LEP, en el último año de funcionamiento del Tevatrón se han llegado a intuir posibles sucesos anómalos entre 120 y 130 GeV, pero sin la fiabilidad necesaria para poder extraer conclusiones.

«Es pronto para afirmar rotundamente que hemos encontrado el bosón de Higgs. Pero ya sabemos que hemos hecho un descubrimiento de enorme importancia: un nuevo campo de fuerzas, de naturaleza diferente a los otros»

La mayor energía del LHC y la impresionante sensibilidad de sus dos grandes detectores, ATLAS y CMS, han hecho posible alcanzar rápidamente el objetivo deseado. Al finalizar su primer año de funcionamiento, el LHC ya había excluido una amplia región de masas, entre 115 y 600 GeV, y tan solo había dejado una pequeña ventana abierta alrededor de los 125 GeV. El bosón de Higgs quedaba así arrinconado en una zona muy interesante (se pueden estudiar varios canales de desintegración diferentes), pero difícil porque el ruido de fondo es mayor. Finalmente, en el 2012 los dos detectores han obtenido evidencias contundentes de la existencia de una nueva partícula, con una masa próxima a los 126 GeV, observando su desintegración en dos fotones, un canal poco probable pero con una señal muy clara: dos fotones muy energéticos. La veracidad del hallazgo ha sido reforzada con evidencias adicionales obtenidas en otros canales de desintegración. En el argot estadístico utilizado por los físicos, las pruebas obtenidas tienen un nivel de confianza superior a 5σ (99,9999%), es decir, la probabilidad de equivocarse es menor del 0,0001%, así que podemos hablar oficialmente de «descubrimiento».

Distribución de «masa invariante» (suma de las energías en el sistema de referencia en reposo) de sucesos de dos fotones, medida por el detector ATLAS (Aad et al., 2012). El pico a 126 GeV muestra la existencia de un bosón desintegrándose en dos fotones. La línea de arriba muestra todos los acontecimientos observados, incluyendo el ruido de fondo, mientras que este ruido ha sido sustraído en la línea de abajo. / ATLAS Collaboration

¿Qué sabemos realmente?

Aún es pronto para afirmar rotundamente que hemos encontrado el bosón de Higgs del modelo estándar. Sin embargo, ya sabemos que hemos hecho un descubrimiento de enorme importancia para la física. Hemos encontrado un nuevo campo de fuerzas, de naturaleza diferente a los otros. A diferencia de las interacciones electromagnética, fuerte y débil, no es una fuerza gauge. Hemos descubierto algo totalmente nuevo, con las características que debía tener el bosón de Higgs. ¡Si no es el Higgs, se le parece mucho!

ATLAS y CMS continúan recogiendo datos adicionales a gran velocidad, o sea, que pronto podremos tener una idea bastante clara de las propiedades de la nueva partícula. La información disponible actualmente encaja bien con el bosón que estábamos buscando. Si al final es el Higgs, habremos cerrado un capítulo impresionante del progreso científico con la plena confirmación del modelo estándar. Si, por el contrario, se observan discrepancias, la importancia sería incluso más grande, ya que habríamos descubierto un objeto similar al Higgs pero con características nuevas, lo cual mostraría la existencia de nueva física aún desconocida. En cualquier caso, y tras una parada técnica de dos años para aumentar la potencia de los imanes, el LHC volverá a funcionar con el doble de energía (14 TeV) para continuar explorando las fronteras del conocimiento.

La ciencia española en el contexto internacional

Este importante descubrimiento ha sido el resultado de un esfuerzo colectivo, al que han contribuido instituciones científicas de muchos países. La aportación española ha sido muy relevante. Nuestros grupos experimentales han construido partes importantes de los detectores, que han sido cruciales para el éxito final. El grupo del IFIC, por ejemplo, ha asumido importantes responsabilidades en la construcción de los detectores de vértice (Silicon Vertex) y del calorímetro hadrónico (TiCal) de ATLAS. En los últimos años, los grupos españoles se han coordinado a través del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), con sede en el IFIC, asegurando la asistencia técnica y científica necesaria para que todo (detectores, procesamiento informático y análisis de los datos) funcionase correctamente. Un pequeño dato, poco conocido, muestra la visibilidad conseguida: el 2012, año del descubrimiento, los collaboration boards de ATLAS y CMS están presididos por dos científicas del CPAN: Martine Bosman (IFAE, ATLAS) y Teresa Rodrigo (IFCA, CMS). Por una vez, la ciencia española ha estado en primera línea de un gran descubrimiento científico.

El modelo estándar y el problema de las masas

El modelo estándar ofrece una descripción simple y precisa del mundo microscópico, basada en unos pocos constituyentes elementales, los quarks y leptones, y tres fuerzas fundamentales, electromagnética, fuerte (o nuclear) y débil (no incluye la gravedad), cada una de ellas con sus correspondientes partículas intermediarias de la interacción. La fuerza electromagnética se produce mediante el intercambio de fotones (γ), las partículas que constituyen la luz. De la misma forma el intercambio de gluones (ga) genera la interacción fuerte, mientras que la interacción débil viene mediada por el intercambio de los bosones masivos W± y Z.

Esta interacción débil, responsable de iniciar las reacciones que hacen lucir las estrellas y de buena parte de la radiactividad natural, solo se manifiesta a distancias más pequeñas que la medida del núcleo atómico porque sus bosones mediadores, W± y Z, son muy pesados, con masas 80 y 90 veces, respectivamente, más grandes que la del protón. La «obesidad» de estas dos partículas suprime enormemente la intensidad de la interacción, de aquí la denominación de «débil», regulando la velocidad a la que se producen las desintegraciones b y algunos procesos críticos para el funcionamiento de nuestra principal fuente de energía, el Sol. Sin estas dos grandes masas, el universo sería muy diferente.

«Con dos quarks, el electrón y el neutrino electrónicos, podemos entender toda la materia ordinaria que nos rodea»

Aunque los constituyentes elementales de la materia ordinaria son muy ligeros, sus pequeñas masas son un ingrediente necesario para hacer posible nuestra propia existencia. Las masas del electrón y de los quarks u (up) y d (down) son despreciables (2.000, 500 y 200 veces más pequeñas, respectivamente) frente a las masas del protón y del neutrón, objetos compuestos por quarks u y d. La masa de los núcleos atómicos, y por tanto de la materia, es generada por la propia energía de la interacción fuerte, que mantiene los quarks permanentemente confinados dentro de los protones y neutrones. Sin embargo, es la pequeña masa del electrón la que permite la existencia del átomo. Un electrón sin masa viajaría a la velocidad de la luz y no podría ser atrapado por el núcleo atómico. Todas las propiedades químicas y estructuras biológicas conocidas dependen en última instancia del valor pequeño, pero no nulo, de la masa del electrón. El quark d es más pesado que el u; la diferencia entre sus dos masas parece irrelevante ante las masas de los núcleos atómicos, pero es el parámetro crítico que permite su estabilidad. Si el quark d fuera más ligero, el protón tendría una masa mayor que la del neutrón y se desintegraría; los núcleos atómicos que conocemos no existirían y tampoco los átomos, moléculas, etc.

Con dos quarks, u y d, el electrón (e) y el neutrino electrónico νe emitido por los núcleos radiactivos, podemos entender toda la materia ordinaria que nos rodea. A pesar de eso, la naturaleza ha replicado tres veces cada uno de estos cuatro objetos. El muón (μ) y el tau (τ) son partículas idénticas al electrón, pero de mayor masa, con sus respectivos neutrinos asociados, νμ y ντ. La masa es también la única diferencia entre los quarks u y d y sus réplicas más pesadas, c (charm) y t (top o truth) en el caso del u, s (strange) y b (bottom o beauty) para el d. Desconocemos las razones de la existencia de estas réplicas, también llamadas «familias» o «generaciones», pero parece evidente que la respuesta tiene que estar asociada al origen de sus diferentes masas.

El espín del higgs

El espín es un número cuántico que caracteriza el comportamiento de una partícula bajo rotaciones. Es un momento angular intrínseco (una especie de movimiento de rotación de la partícula sobre sí misma, como una peonza) que, de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, tan solo puede tomar valores que sean múltiplos enteros (J = 0, 1, 2…) o semienteros (J = 1/2, 3/2, 5/2…) de la constante de Planck «. La consistencia de la mecánica cuántica con los principios de la relatividad de Einstein impone que partículas idénticas con espín semientero (fermiones) no pueden compartir un mismo estado cuántico, a diferencia de los bosones (espín entero) que se agrupan sin problemas en el estado de energía más baja. Las implicaciones físicas de esta «pequeña diferencia» son enormes. Los constituyentes de la materia (quarks y leptones) tienen espín 1/2, mientras que los mediadores de las interacciones gauge son bosones de espín 1. El carácter fermiónico del electrón mantiene estable la estructura atómica y evita que todos los electrones caigan al estado fundamental. De la misma forma, la estabilidad nuclear está asociada con que el protón (uud) y el neutrón (udd) son fermiones.

«El espín es un número cuántico que caracteriza el comportamiento de una partícula bajo rotaciones»

La conservación del momento angular prohíbe la desintegración de un fermión en dos fotones, también prohíbe la desintegración en este canal de una partícula de espín 1. Por tanto, la nueva partícula descubierta por el LHC es un bosón con espín diferente de 1, ya que se desintegra a dos fotones. Eso quiere decir que hemos encontrado un nuevo campo de fuerzas (bosón), pero de un tipo diferente a todas las otras fuerzas conocidas. Muy probablemente, su espín tiene que ser cero, es decir, se trataría de un campo de fuerzas sin espín como el campo de Higgs del modelo estándar. EL LHC pronto nos permitirá comprobarlo y analizar otras importantes propiedades del nuevo bosón.