El histórico descubrimiento del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones hace exactamente diez años y los progresos realizados desde entonces han permitido a la comunidad científica dar enormes pasos en nuestra comprensión del universo.
Hace exactamente diez años, el 4 de julio de 2012, las colaboraciones ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula con características consistentes con las del bosón de Higgs. El descubrimiento supuso un hito en la historia de la ciencia y acaparó la atención mundial. Un año más tarde, se honró a François Englert y Peter Higgs con el Premio Nobel de Física, pues ya en la década de 1960, y junto al difunto Robert Brout, predijeron la existencia de un nuevo campo fundamental, conocido como campo de Higgs, que llena 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 el final de un largo camino de investigación que duró décadas y el comienzo de una nueva era de estudios centrados en esta partícula tan especial», explica 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 experta en física de partículas y para todas las personas que trabajaron incansablemente durante décadas para hacer posible este descubrimiento».
¿Cómo ha sido el camino hasta ahora?
La nueva partícula descubierta por las colaboraciones internacionales ATLAS y CMS en 2012 se parecía mucho al bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar. Pero, ¿se trataba realmente de esa partícula tan buscada? Tan pronto como se produjo el descubrimiento, ATLAS y CMS comenzaron a investigar en detalle si las propiedades de la partícula que habían descubierto coincidían realmente con las características que predecía el Modelo Estándar.
Utilizando datos recogidos durante el fenómeno de desintegración de esta nueva partícula en dos fotones, los experimentos han demostrado que esta nueva partícula no tiene momento angular intrínseco, o espín cuántico, lo que coincide con las predicciones del bosón de Higgs que se obtienen con el Modelo Estándar. En cambio, todas las demás partículas elementales conocidas sí tienen espín.
Por otra parte, al observar que los bosones de Higgs se producen y desintegran en pares de bosones W o Z, ATLAS y CMS confirmaron que estos últimos adquieren su masa a través de sus interacciones con el campo de Higgs, tal y como predice el Modelo Estándar.
Los experimentos también han demostrado que el quark top, el quark bottom y el leptón tau, que son los fermiones más pesados, obtienen su masa por sus interacciones con el campo de Higgs, de nuevo como predice el Modelo Estándar. Estas observaciones también confirmaron la existencia de una interacción, o fuerza, llamada interacción de Yukawa, que forma parte del Modelo Estándar, pero es diferente a todas las demás fuerzas del modelo: está mediada por el bosón de Higgs y su fuerza no está cuantizada, es decir, no viene dada por múltiplos de una determinada unidad.
ATLAS y CMS midieron la masa del bosón de Higgs obteniendo como resultado el valor de 125 mil millones de electronvoltios (125 GeV), con una impresionante precisión de casi uno por mil. Conocer este valor es importante, pues junto con la masa de la partícula elemental más pesada conocida, el quark top, y otros parámetros, la masa del bosón de Higgs puede ayudarnos a determinar la estabilidad del vacío del universo.
Aún queda mucha investigación por delante
¿Qué queda por aprender sobre el campo de Higgs y el bosón de Higgs diez años después? Mucho. ¿El campo de Higgs da también masa a los fermiones más ligeros o podría haber otro mecanismo en juego? ¿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 del bosón de Higgs? ¿Tiene ‘gemelos’ o ‘parientes’?
Encontrar las respuestas a estas y otras preguntas no sólo contribuirá a nuestra comprensión del universo en sus escalas más pequeñas, sino que también puede ayudarnos a desvelar algunos de los mayores misterios que encierra el universo en su conjunto, como por ejemplo, cómo llegó a ser como es y cuál podría ser su destino final.
«El propio bosón de Higgs puede apuntar a nuevos fenómenos, incluyendo algunos que podrían ser responsables de la materia oscura en el universo», dice el portavoz de CMS, Luca Malgeri. «ATLAS y CMS están realizando muchas búsquedas para sondear todos los tipos de procesos inesperados que involucran al bosón de Higgs».
Mientras que las respuestas a algunas de estas preguntas podrían ser proporcionadas por los datos recogidos durante el próximo e inminente Run 3 del LHC o en posteriores periodos de funcionamiento del acelerador, se cree que las respuestas a otros enigmas están fuera del alcance del LHC, requiriendo una futura «fábrica de Higgs». 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 Futuro Colisionador Circular (FCC).
«Los colisionadores de alta energía siguen siendo el microscopio más potente del que disponemos para explorar la naturaleza a las escalas más pequeñas y descubrir las leyes fundamentales que rigen el universo», afirma Gian Giudice, jefe del departamento de Teoría del CERN.
PERSPECTIVA ESPAÑOLA EN EL DESCUBRIMIENTO DEL BOSÓN DE HIGGS
La comunidad investigadora española tuvo, y continúa teniendo, un papel muy importante en las colaboraciones ATLAS Y CMS del CERN, los experimentos que anunciaron el avistamiento del bosón de Higgs el 4 de julio de 2012.
Desde la puesta en marcha del detector ATLAS participan en él investigadores del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), Instituto de Física Corpuscular (IFIC), Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) y de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).
Por otro lado, la presencia nacional también despunta en el programa CMS desde los inicios de este experimento. Destacan los grupos del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), Instituto de Física de Cantabria (IFCA), Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y de la Universidad de Oviedo (UO). Más recientemente se han incorporado a la colaboración CMS investigadores del Instituto Tecnológico de Aragón (ITAINNOVA) y del Centro Nacional de Microelectrónica (CNM).
Carlos Lacasta, investigador en el IFIC, y Celso Martínez, investigador en el IFCA, son actualmente los Representantes Españoles de ATLAS y CMS, respectivamente. Este puesto se designa como National Contact Physicist y la persona al cargo hace de contacto entre la colaboración (ATLAS o CMS, en este caso) y España. En las siguientes líneas, Lacasta y Martínez cuentan para el CPAN qué supuso el descubrimiento del bosón de Higgs y cómo se vivió este hito desde España.
El descubrimiento del bosón de Higgs: una noticia perenne
“El descubrimiento del bosón de Higgs es una noticia que se mantendrá viva durante mucho tiempo: siempre se recordará que en julio de 2012 el CERN nos mostró que había aparecido una partícula de 125 GeV, muy parecida al bosón de Higgs, en dos experimentos distintos, ATLAS y CMS, y allí incluso estaban dos de las tres personas que habían pensado en ese bosón casi 50 años antes, Englert y Higgs.”, explica Celso Martínez. “Para todo el mundo fue muy importante, pero para Teresa Rodrigo fue algo muy especial, al ser la Chairperson de la Colaboration Board de CMS”, añade recordando a su difunta compañera, también investigadora en el IFCA.
“El descubrimiento del bosón de Higgs es y ha sido muy importante por varios motivos. El primero y fundamental es que es un tipo de materia que nunca se había visto en un detector hasta ahora. Además, pensamos que es una partícula fundamental, es decir, que no está formada por otras. Hemos descubierto algo que, aunque estaba “anunciado” desde hacía mucho, es realmente nuevo y necesitamos poner el foco en conocer las propiedades de esta nueva materia”, destaca Carlos Lacasta. Y continúa: “El segundo motivo es su propia historia. Se predijo allá por 1964 para resolver un problema que tenían los modelos teóricos a la hora de calcular los valores numéricos de los observables que podíamos medir en los experimentos. Introducir el bosón de Higgs permitía hacer esos cálculos. Ahora, había que encontrarlo y, con los conocimientos y la tecnología que teníamos entonces, ya se barruntaba que no iba a ser tarea fácil.”
Un camino nada fácil
“Tras haber buscado -sin éxito- el bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP, por sus siglas en inglés), el antecesor del LHC, sabíamos que en el LHC algo tenía que aparecer. Y así fue: a finales de 2011 vimos que en la zona de 125 GeV había ‘algo’ de lo que poder tirar. Las reuniones en las que compartíamos los análisis relacionados con el bosón de Higgs se hacían cada vez más frecuentes, hasta que en los últimos meses se hacían diarias. Al final sabíamos que ahí estaba el bosón de Higgs….no había otra solución” explica Martínez para el CPAN.
Por su parte, Lacasta subraya el desarrollo tecnológico que se necesitó para encontrar este escurridizo bosón: “La búsqueda del bosón de Higgs no fue fácil en absoluto. De hecho, costó 50 años conseguirlo. El Higgs es una partícula predicha por un modelo teórico incapaz de predecir qué masa tiene dicha partícula y, por lo tanto, había que empezar a buscarla sin saber qué energía debían tener los aceleradores para producirlo. Para que os hagáis una idea de los retos tecnológicos a los que ha habido que hacer frente, os diré que de los 50 años que ha costado “encontrar el bosón de Higgs”, 30 se han dedicado al diseño y construcción del acelerador (el LHC) y los detectores (ATLAS y CMS) que lo avistaron por primera vez.”
Una emoción singular e inexplicable
“Durante el descubrimiento hubo mucha emoción, resultado de un esfuerzo titánico a nivel internacional no sólo para desarrollar las tecnologías que lo hicieron posible, sino para ‘gestionar’ las propias colaboraciones internacionales, cuyo número de participantes ha crecido abruptamente en las últimas décadas. Desde España fue también muy especial. La comunidad española investigadora habíamos jugado papeles muy importantes en algunos de los aspectos del diseño, construcción y operación de los detectores y en la generación de algoritmos para buscar y encontrar entre los millones de eventos producidos aquellos en los que podía haber un bosón de Higgs”, dice Lacasta.
“Las reuniones, análisis, contranálisis y los candidatos reales a bosón de Higss, que eran revisados uno a uno, nos mantuvieron muy atareados en 2011 y 2012, pero lo vivimos con mucha ilusión. Descubrir una partícula es algo que pocas veces puede ocurrir en la vida de un físico experimental de partículas”, apunta Martínez. Lacasta comparte su emoción: “Uno no siempre puede decir que ha contribuido al descubrimiento de una nueva partícula, así que os podéis imaginar la emoción del momento.”
