Piedra libre para un bosón

T.E.L: 6 min. 18 seg.

Los experimentos del CERN observan una partícula compatible con el tan buscado bosón de Higgs.

En un seminario celebrado ayer en la sede del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) en Ginebra (Suiza), los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) presentaron sus últimos resultados preliminares en la búsqueda de la partícula de Higgs. Ambos experimentos observan una nueva partícula en el rango de masas alrededor de 125-126 GeV (gigaelectronvoltios, unas 134 veces la masa de un protón).

“Observamos en nuestros datos claros signos de una nueva partícula, con un nivel de confianza estadística de 5 sigma, en la región de masas alrededor de 126 GeV. El excepcional funcionamiento del LHC y ATLAS, y los enormes esfuerzos de mucha gente, nos han llevado a esta emocionante etapa”, dijo la portavoz del experimento ATLAS Fabiola Gianotti, “pero se necesita un poco más de tiempo para preparar estos resultados para su publicación”.

“El año pasado dijimos que en 2012 podríamos encontrar una nueva partícula como el bosón de Higgs o excluir la existencia del bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar. Con toda la precaución necesaria, me parece que estamos ante un punto de inflexión: la observación de esta nueva partícula indica el camino para el futuro hacia una comprensión más detallada sobre lo que estamos viendo en los datos”, indicó el director de Investigación del CERN, Sergio Bertolucci.

Breve repaso: ¿Qué es el bosón de Higgs?
El bosón de Higgs es un tipo de partícula elemental, perteneciente a la familia de los bosones y predicha por el físico inglés Peter Higgs, que se cree tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa en el Universo. La confirmación o refutación de su existencia es uno de los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo que opera el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra.

Existen varias partículas elementales. Del colegio sabemos de la existencia de los protones, neutrones y electrones, pero existen muchas más y son clasificadas en familias o grupos. Todas estas partículas tienen su lugar en un modelo, una forma de explicar de forma sencilla cómo interactúan estas partículas. Este bosón de Higgs es particularmente importante porque es la única partícula predicha por el Modelo Estándar de Física de Partículas que aún no ha sido descubierta. En ese modelo, la partícula y el campo asociado (Campo de Higgs) explicarían el origen de la masa en el cosmos. Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos, por lo que tampoco habría química, ni biología ni existiríamos nosotros mismos.

¿Y qué es la masa?
Masa y peso no son lo mismo, aunque muchas veces usemos ambos términos por igual. Imagine que una persona que vive en el Polo Norte se para sobre una balanza de las que vemos en las farmacias. Su peso indicará, por ejemplo, 60 kg. Ahora pensemos que esa misma persona pudiera muy rápidamente ir al Ecuador. Imaginemos que no come ni bebe ni pierde líquido en el viaje, es más, imaginemos que llega al Ecuador inmediatamente. Si la cantidad de materia que forma a esa persona es la misma, ¿pesará lo mismo? No. Porque el peso es una medida relacionada con la gravedad. Como en el Ecuador la aceleración de la gravedad es menor que en el Polo Norte, pesaremos más en el Norte. La misma persona, sin haber perdido nada de materia, pesa distinto en cada lugar en relación con la gravedad. Por eso es posible imaginar y calcular cuánto pesaríamos en otros planetas.
Pero en una balanza de dos platillos la cosa cambia. Así que lo que llamamos masa está relacionado con la cantidad de materia que poseen los cuerpos (aunque la cosa se complica cuando consideramos velocidades cercanas a la velocidad de la luz).

Pero, ¿cómo surge la masa de los cuerpos? ¿Por qué el electrón tiene la masa que tiene?
Para explicarlo, Higgs formuló la idea de un Campo (ahora nombrado en su honor). A todos nos resulta familiar, incluso si no lo entendemos del todo, la idea de campo en relación con el electromagnetismo. El componente, la partícula, de ese campo es el fotón, la partícula de la luz. El bosón de Higgs es la partícula del Campo de Higgs. Estos bosones forman ese campo que baña todo el espacio. Las demás partículas interactúan con este campo de distinta manera. Muchas veces se habla de una especie de "fricción" entre las partículas y ese campo. Como esa interacción es distinta, la masa de las partículas también.

El bosón juega a las escondidas
Las partículas elementales pueden ser difíciles de detectar. Algunas tienen un tiempo de "vida" extremadamente corto porque muy rápidamente se "convierten" o transforman en otras partículas. No es cuestión de magia: cuando dos autos chocan, el resultado no son ya dos autos, sino un montón de partes, distintas a un auto. El ejemplo es algo burdo, pero pretende dar cuenta en forma simplificad de lo que los físicos llaman "desintegración" o "decaimiento".

Para detectar estas partículas existen aceleradores que hacen colisionar protones a grandes velocidades. Cuando mayor sea la energía de los protones al colisionar, mayor será la masa de las partículas resultantes.
Las colisiones liberan energía y todos los datos producidos se registran para su análisis. Se requieren de muchísimas colisiones para hacer un buen experimento. Y el análisis es estadístico.

Pongamos algún ejemplo: tira usted una moneda al aire y mira de qué lado cayó. ¿Es posible que salga cara cinco veces seguida? Es posible. ¿Y que salga veinte veces seguida? ¿O cien? También es posible, pero la probabilidad decrece. Si saca cara cien veces seguidas es muy probable que la moneda esté trucada. Pero esto no es posible decirlo igual con sólo cinco tiradas. Por eso es necesario tener muchos datos. Y el resultado se explicará en términos estadísticos. Entre los análisis de ese tipo se encuentra el de promedio, varianza y el de desviación estándar. A este último se lo conoce como Sigma y se ha establecido que un nivel de 5 sigmas es una detección. Hay que considerar, sin embargo, lo dicho antes, también importa la cantidad de eventos.
Nota: para una lectura más profunda recomiendo a La Mula Francis: Qué significan cinco sigmas para el descubrimiento del bosón de Higgs.

Y, como si fuera poco, luego habrá que ver si la forma en que la partícula detectada se desintegra. Como esto último no se sabe aún, los científicos indican que el análisis de los experimentos hasta ahora dan una clara señal de detección de una partícula de la familia de los bosones. Pero si es o no el bosón de Higgs es algo que todavía no se puede indicar. Pero falta poco para gritar ¡Piedra libre!

Participación argentina en el LHC
Durante la primera etapa de construcción del colisionador, un equipo de trabajo del Laboratorio de Instrumentación y Control que encabeza Mario Benedetti en la Universidad Nacional de Mar del Plata contribuyó a generar circuitos eficientes de conversión de potencia. Para ello contaron con los aportes de ingenieros del Laboratorio de Electrónica Industrial, Control e Instrumentación, perteneciente a la Universidad Nacional de La Plata.

Asimismo, investigadores pertenecientes a las Universidades de Buenos Aires y La Plata, dirigidos por Ricardo Piegaia y María Teresa Dova, respectivamente, estuvieron involucrados en el proyecto Atlas, que tuvo a su cargo el diseño y la construcción de uno de los cuatro detectores de partículas que contiene el colisionador.

El Dr. en física argentino Daniel de Florian realizó un postdoc en CERN. Obtuvo su licenciatura en UBA y su doctorado en La Plata y es miembro de CONICET. Quizás en los próximos días pueda dialogar con él sobre este tema en particular, así como de su trabajo científico.

“Hemos alcanzado un hito en nuestro entendimiento de la naturaleza”, dijo el director general del CERN, Rolf Heuer. “El descubrimiento de una partícula consistente con el bosón de Higgs abre el camino a estudios más detallados, que requieren más estadística, los cuales concretarán las propiedades de la partícula y probablemente arrojarán luz sobre otros misterios de nuestro Universo”.
La identificación de las características de la nueva partícula requerirá una considerable cantidad de tiempo y datos. Pero, cualquiera que sea la forma que tome la partícula de Higgs, nuestro conocimiento de la estructura fundamental de la materia está a punto de dar un gran paso adelante.

La participación española en LHC y la divulgación de CIEMAT
La participación de los grupos de investigación españoles en el LHC cuenta con el apoyo del Ministerio de Economía y Competitividad, a través del Programa Nacional de Física de Partículas, y del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider- Ingenio 2010. Además de haber diseñado y construido varios subdetectores que son clave en la búsqueda de nuevas partículas en el LHC, los grupos españoles participan de forma destacada en su operación y mantenimiento, así como en la recogida, procesado y análisis de las colisiones producidas por los experimentos, incluyendo aquellas que pueden conducir a la observación del bosón de Higgs.

El CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) es un Organismo Público Español. Agradezco especialmente su trabajo y en particular a María del Socorro Bermejo Parrilla por su trabajo de prensa.

Fuentes y links relacionados

CIEMAT: Los experimentos del CERN observan una partícula compatible con el tan buscado bosón de Higgs. Ver PDF.
Sala de Prensa: Aporte científico argentino para el descubrimiento del Bosón de Higgs

Sobre las imágenes

Imagen inicial: Un evento de colisión protón-protón en el experimento CMS que produce dos fotones de alta energía (en rojo). Esto es lo que esperan ver del decaimiento de un bosón de Higgs, pero también es coherente con los procesos del modelo estándar de la física.
Crédito: © CERN 2012