¡La partícula de Higgs por fin!
El CERN anuncia el hallazgo de la partícula elemental más buscada de las últimas décadas, el bosón de Higgs, que abre las puertas del mundo subatómico
Por fin. Medio siglo después de haberse conjeturado su existencia, se ha descubierto la partícula de Higgs. Y es realmente importante: desde hoy se conoce un poco mejor cómo funciona el universo. Ha hecho falta construir el más potente acelerador de partículas, el LHC, dos colosales detectores y el trabajo y entusiasmo de miles de físicos e ingenieros de todo el mundo volcados en la investigación. El Higgs, dicho de modo muy sencillo, ayuda a explicar por qué existe la masa de las partículas elementales. Si el electrón, por ejemplo, no tuviera masa no se formarían los átomos y sin átomos no existirían ni estrellas, ni planetas ni personas.
En medio de una expectación mundial y en un auditorio abarrotado de gente emocionada en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), junto a Ginebra, los científicos que trabajan con el gran acelerador de partículas LHC anunciaron este martes el descubrimiento. “Hemos alcanzado un hito en nuestra comprensión de la naturaleza”, afirmó el director del CERN, Rolf Heuer.
Peter Higgs, a su llegada al seminario del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN). / DENIS BALIBOUSE/POOL (EFE)
El mismísimo Peter Higgs, veterano físico teórico de 83 años, que en los años sesenta, basándose en trabajos previos, propuso esta teoría para explicar el origen de la masa y en cuyo honor se llama la partícula, estaba en el auditorio del CERN y fue cariñosamente vitoreado. “Estoy extraordinariamente impresionado por lo que ustedes han logrado. Mis felicitaciones a todos los implicados en este increíble logro, y es una felicidad haberlo vivido”, dijo. Citó a los colegas que colaboraron en aquella teoría de hace casi 50 años y cedió todo protagonismo a los físicos del LHC que han hecho ahora el descubrimiento.
A las nueve de la mañana tomó la palabra Joe Incandela, portavoz de uno de los dos grandes detectores de partículas del LHC, el CMS, y durante 45 minutos fue exponiendo los resultados para concluir con el anuncio de que habían encontrado una partícula de tipo bosón de masa 125,3 gigaelectronvoltios (GeV). No dijo Higgs, pero el aplauso cerrado en el auditorio dejó muy claro lo que todo el mundo parecía pensar: debe ser el Higgs.
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Arranca la búsqueda del bosón de HiggsTras el muy nervioso Incandela, llegó el turno de su colega Fabiola Gianotti, la portavoz del otro gran experimento, el Atlas. También fue explicando los pormenores técnicos de la investigación hasta que al final dijo que su equipo tenía la firma de esa nueva partícula con 126,5 GeV de masa (perfectamente consistente con la medida del CMS, como aclaró más tarde).
¿Están seguros? La certeza obtenida, según explicaron, es de 5 sigma (en el caso de Atlas) y 4,9 (en CMS), lo que implica una probabilidad de error tan baja, menor que 0,3 en un millón, que los físicos consideran efectivamente descubrimiento. Pero como científicos, Heuer, Incandela y Gianotti precisaron una y otra vez que los que los datos de los experimentos muestran es la existencia de una nueva partícula, un bosón, con esa masa. Ahora tienen que volcarse en la investigación de sus características para estar seguros de que se trata del bosón de Higgs predicho en el Modelo Estándar, la partícula que lo completa, la que faltaba en el puzle.
El Modelo Estándar describe, con tremenda precisión, las partículas elementales y las fuerzas de interacción entre ellas. Pero tiene, o tenía, una ausencia importantísima al no poder explicar por qué tienen masa las partículas que la tienen. La respuesta la propusieron hace medio siglo el británico Peter Higgs y otros especialistas, con un mecanismo que explicaría ese origen de la masa de algunas partículas y que se manifestaría precisamente en una partícula nueva, el llamado bosón de Higgs, que por fin asoma en los detectores del LHC.
“Sin masa, el universo sería un lugar muy diferente”, explican los científicos del CERN. “Por ejemplo, si el electrón no tuviera masa, no habría química, ni biología ni personas. Además, el Sol brilla gracias a una delicada interacción entre las fuerzas fundamentales de la naturaleza que no funcionaría si algunas de esas partículas no tuvieran masa”.
El Higgs del Modelo Estándar no es el final, no es la meta, sino el punto de partida de la investigación del universo más allá de la física conocida, recalcó Gianotti. Sandro Bertolucci, director científico del CERN, apuntó la importancia de “los desconocidos no conocidos”, es decir, de las nuevas partículas y fenómenos que pueden ir surgiendo en los datos del LHC. No hay que olvidar que la materia corriente, la que forma personas, piedras, astros… y que se rige por el Modelo Estándar, supone solo el 4% del universo. El resto es energía oscura y materia oscura, y de esta última los físicos del CERN esperan encontrar indicios en el futuro.
De momento hay que asegurar que esa partícula de unos 126 GeV es el ansiado bosón de Higgs. Los físicos conocen sus características teóricas, excepto la masa, y ahora se trata de ir comprobando si se ajusta a ellas el bosón descubierto. Heuer dijo que es como descubrir la cara de un amigo en una muchedumbre: “Para estar seguro de que se trata de él y no de su gemelo hay que acercarse y comprobar los detalles”.
Este descubrimiento no es una meta final, sino al contrario, el inicio de una nueva etapa de exploración del universo
El mecanismo de Higgs es algo tremendamente técnico, pero a lo largo de los años se han propuesto numerosos paralelismos para aclararlo. Una de las ideas más eficaces es la propuesta por el físico del CERN Gian Francesco Giudice en su libro A Zeptospace Universe: las partículas adquieren masa al interaccionar con el llamado campo de Higgs. Piense en agua en la que nadan delfines y se bañan hipopótamos, dice Giudice; para las partículas que no tienen masa, como el fotón, el agua es totalmente transparente, como si no existiera, mientras que las que tienen masa, pero poca, se deslizan fácilmente sin apenas interactuar con el líquido, como los delfines. Las partículas masivas, como si fueran hipopótamos, se mueven con dificultad en el agua. El campo de Higgs, el agua en el símil, se expresa en determinadas condiciones como una nueva partícula, como una ola en el agua, que es la que probablemente han encontrado ahora los físicos del LHC.
Para lograrlo, los científicos han tenido que analizar billones de colisiones de protones contra protones en el LHC, porque en esos choques a altísima energía, muy de vez en cuando, puede crearse un bosón de Higgs. Como es muy raro que se produzca, necesitan cantidades ingentes de choques para obtener la señal suficientemente clara de que está ahí, de que no es un ruido del experimento ni producto de los artefactos estadísticos del experimento. En realidad, los físicos no ven el Higgs, porque se desintegra inmediatamente, sino los productos de esas desintegraciones, que son como su firma. Luego reconstruyen los restos y ven si el Higgs ha existido en algún instante.
Que hay una partícula nueva y que es un bosón está claro, pero hay que seguir investigando para determinar sin lugar a dudas que se trata del bosón de Higgs
La presentación del descubrimiento, tras varios días de especulaciones y rumores, no podía ser más esperada. Mucha gente hizo cola durante la noche a las puertas del CERN para asegurarse la entrada en el auditorio y presenciar en directo el momento histórico, que se transmitió por Internet a todo el mundo.
La de este martes fue una ocasión de enorme satisfacción para los miles de científicos (más de 3.000 en CMS y otros tantos en Atlas) que han trabajado durísimo, aportando talento y entusiasmo, repitieron una y otra vez Incandela y Gianotti, sin olvidar “las fabulosas prestaciones del LHC” y del sistema de computación distribuida, el Grid, que ha permitido analizar los datos de billones de colisiones de partículas.
Se trata de ciencia básica, de conocimiento fundamental de la naturaleza, y a la pregunta de por qué gastar recursos en ella en tiempos de crisis, Heuer fue clarísimo: “Si uno tiene un saco de maíz puede comérselo todo o guardar parte para sembrar después; la ciencia básica es esa parte del maíz que siembras después”.
Diccionario para entender el hallazgo
Doce conceptos clave detrás de la misteriosa partícula, que explicaría el origen de la masa
Hallada la "más sólida" evidencia del bosón de Higgs
Partícula elemental. Ente que, si tiene partes, no lo sabemos. Los átomos fueron antaño partículas elementales, pero ahora se sabe que están formados por electrones y núcleo y este, a su vez, por protones y neutrones, y estos, por quarks.
Modelo Estándar de Física de Partículas. Describe las partículas elementales y las interacciones entre ellas.
Protón. El núcleo del hidrógeno, el átomo más sencillo. El protón está compuesto por dos quarks "up" y uno "down". Los demás núcleos atómicos contienen neutrones, también compuestos de quarks (dos down y uno up).
Quarks up y down: Constituyentes elementales de los protones y neutrones.
Fotón. Partícula de luz. El fotón es un bosón.
Vacío. Aquello que queda cuando se quita todo lo que se puede quitar. El vacío no es la nada, sino una substancia, permeada por el campo de Higgs.
Campo. Substancia que permite a unas partículas ejercer una acción a distancia sobre otras. Partículas con carga eléctrica interaccionan entre sí a través del campo electromagnético. Un fotón es una mínima vibración de dicho campo. Un bosón de Higgs es una vibración del campo de Higgs.
Spin. Propiedad de las partículas que refleja cuanto "giran" como peonzas.
CERN. Laboratorio Europeo de Física de Partículas (sus iniciales responden a nombre original, que recibió en su fundación, en 1954: Centro Europeo de Investigación Nuclear). Pertenecen a él 20 países, incluida España. Se ocupa de investigación fundamental, aunque es notable la transferencia tecnológica a partir de los desarrollo de vanguardia que realizan. En el CERN se inventó el lenguaje hipertexto que hizo posible la www. Su presupuesto anual es de unos mil millones de francos suizos. La contribución española es de unos 80 millones de euros anuales (algo menos de un euro y medio cada español).
Large Hadron Collider (LHC). Gran Colisionador de Hadrones (protones u otros núcleos atómicos). Colisionador de partículas aceleradas de 27 kilómetros de circunferencia, instalado en un túnel en la frontera franco-suiza, junto a Ginebra, que fue excavado para el acelerador anterior, el LEP, que se desmontó para montar el nuevo, el LHC.
Dos grandes detectores de los efectos de las colisiones de partículas del LHC, dedicados a buscar el bosón de Higgs, entre otras cosas. El Atlas pesa 7.000 toneladas y mide 44 metros de largo por 25 de diámetro; participan en el experimento expertos de 165 instituciones de 35 países. El CMS, de 12.500 toneladas, mide 21 metros de largo, 15 de ancho y 15 de alto; participan en él expertos de 155 instituciones de 37 países. Otros dos detectores del LHC son Alice y LHCb.
Alicia Rivera Madrid 4 JUL 2012
El bosón de Higgs para profanos
En el diseño del experimento CMS ha trabajado un equipo de investigadores y científicos españoles
La masa es uno de los conceptos más fundamentales y a la vez extraños en física. Desde que, siendo unos retoños, empezamos a interaccionar con el mundo que nos rodea nos familiarizamos con la masa de los objetos. Nos resulta sencillo desplazar la pelota de goma, pero se nos hace imposible mover el armario. Rápidamente asociamos el concepto de masa al de inercia, concepto, éste último, que tenemos tan interiorizado que nos resulta tremendamente intuitivo, incontestable.
Los objetos macroscópicos (los que podemos ver a simple vista) están hechos de materiales compuestos de moléculas. Estas no son sino conjuntos de átomos, estructuras formadas por ínfimas partículas elementales que interaccionan entre sí gracias a su carga eléctrica.
La masa de todo lo que nos rodea es (dejando de lado el rigor de importantes detalles en aras de hacer el razonamiento más intuitivo) la suma de las masas de todas esas partículas diminutas, invisibles, de las que están hechos, de las que estamos hechos.
En física no es fácil explicar cuál es el origen de la masa de las partículas. Podríamos contentarnos con asumir que es así, renunciando a profundizar en los misterios de la naturaleza. Pero esa actitud no crítica es contraria al espíritu de la ciencia. Es razonable pensar que existe un mecanismo que hace que unas partículas experimenten una inercia diferente de otras, por lo que sus masas serán de diferente magnitud.
Una hipótesis razonable para este mecanismo es suponer que existe un "campo" que permea todo el espacio (el universo) con el que interaccionan casi todas las partículas elementales. Aquellas partículas que experimenten una interacción intensa con este campo serán partículas muy masivas, mientras las que lo hagan levemente serán ligeras.
Pero, ¿y las que no interaccionan? Esas, como el fotón (la partícula de la luz), carecen de masa pudiendo moverse libremente a la velocidad de la luz. Estamos hablando del campo de Higgs. Si visualizamos este campo como una gelatina que, de forma apenas perceptible, ocupa todo el espacio podemos interpretar la inercia como la interacción de las partículas elementales con esta "sustancia" (sin olvidar que esto no es sino una imagen mental, un ejercicio intelectual). Este campo que, como dijimos, permea todo el espacio, es prácticamente indetectable. Sin embargo, el modelo de Higgs predice que si lo agitamos con suficiente fuerza podemos producir perturbaciones en el mismo que serían detectables. Esas perturbaciones son la partícula de Higgs (más técnicamente, el bosón de Higgs).
El bosón de Higgs y los experimentos del CERN
En ciencia, para que una teoría pase de ser una hipótesis razonable, es imprescindible que haga predicciones de fenómenos no observados previamente, y que estas predicciones sean confirmadas a través de experimentos.
Una forma de alcanzar la energía capaz de producir perturbaciones detectables del campo de Higgs es acelerar dos haces de protones, en direcciones contrarias, a una velocidad próxima a la de la luz, y hacerlos chocar, provocando la completa desintegración de las partículas que participan en la colisión (los quarks y gluones de los que están hechos los protones). La energía de la colisión se transforma en nuevas partículas (ya conocidas) que se alejan del punto de interacción a velocidades próximas a las de la luz.
El acelerador LHC del CERN es capaz de acelerar grandes cantidades de protones (decenas de billones de protones por haz) al 99.999997% de la velocidad de la luz y hacerlos colisionar en puntos de interacción muy precisos (cada uno de ellos es, en buena aproximación, un circulo de 10 milésimas de milímetro de radio) en torno a los cuales están situados los detectores de partículas.
Estos detectores, ATLAS y CMS, son complejos dispositivos electrónicos (con unos 100 millones de canales de lectura) capaces de registrar con elevadísima precisión las trayectorias y energías de las partículas emergentes de las colisiones entre protones, que tienen lugar a un ritmo de 20 millones de veces por segundo.
Si el bosón de Higgs existe, en un muy reducido número de casos también podría ser producido en el colosal choque de partículas (que llamamos "suceso"). La dificultad del experimento radica en aislar las colisiones en las que se ha producido un bosón de Higgs de aquellas en las que no lo ha hecho lo que, según los modelos teóricos, ocurre una vez cada billón de colisiones. El físico experimental debe explotar las propiedades de desintegración del bosón de Higgs para separar su señal de la ingente cantidad de colisiones muy similares que, sin embargo, no han dado lugar a esta partícula. No es trivial identificar un suceso de Higgs aislado, por lo que el experimento se realiza una enorme cantidad de veces para acumular un elevado número de datos. Esto pone de manifiesto el carácter estadístico del análisis. Cuando decimos que un suceso (una colisión) ha dado lugar a un bosón de Higgs, solo podemos hablar de la probabilidad de que sea así. Las muestras de sucesos "de Higgs" contienen inevitablemente una cantidad de otros sucesos (sin Higgs) que tenemos que cuantificar con muchísimo cuidado, lo que supone una buena parte del trabajo del físico experimental.
El bosón de Higgs no se puede detectar directamente. Esta partícula altamente inestable se desintegraría de forma casi inmediata dando lugar a otras partículas más comunes. En el modelo de Higgs, el parámetro fundamental que dicta cómo se desintegra el bosón de Higgs y cómo se observa en los experimentos es la masa del propio bosón de Higgs. Los físicos determinan la masa de esta partícula a partir de las medidas precisas de las trayectorias y energías de las partículas procedentes de su desintegración. Estas distribuciones contienen una contribución irreducible de sucesos sin Higgs (llamados contaminación) y una contribución adicional compatible con la señal esperada para sucesos con un bosón de Higgs con una masa próxima a 125 GeV (es decir, 133 veces la masa del protón).
Para poder afirmar que las observaciones confirman o refutan la teoría es imprescindible cuantificar la prominencia de los sucesos compatibles con la señal del Higgs sobre los sucesos de contaminación. Dado el carácter estadístico del análisis, cuantificamos la señal como la probabilidad de que sea incompatible con una fluctuación estadística de los sucesos de contaminación, sin Higgs. En el caso de CMS, esta incompatibilidad es de una parte en 3 millones.
Para poder confirmar si se trata del bosón de Higgs o de otra partícula similar, ATLAS y CMS van a medir con precisión la naturaleza y propiedades de la nueva partícula con datos que LHC va a proporcionar
Como consecuencia del análisis de los datos del detector CMS podemos afirmar que, con la probabilidad mencionada, observamos la señal de una nueva partícula compatible con lo que se espera para un bosón de Higgs de masa 125.3 GeV. El hecho de que ATLAS obtenga conclusiones similares del análisis de sus datos refuerza nuestras conclusiones. En cualquier caso, para poder confirmar si se trata realmente del bosón de Higgs o de otra partícula con características similares, ATLAS y CMS van a medir con precisión la naturaleza y propiedades de la nueva partícula con los datos que LHC va a proporcionar hasta primeros de 2013, multiplicando por un factor aproximadamente 4 el número de datos recogidos hasta la fecha.
El diseño y construcción del experimento CMS ha supuesto un colosal esfuerzo de científicos e ingenieros procedentes de unos 40 países. Actualmente, la Colaboración CMS está integrada por 3300 físicos e ingenieros de 193 institutos. Entre ellos se encuentran los grupos españoles del Instituto de Física Corpuscular de Cantabria, la Universidad de Oviedo, la Universidad Autónoma de Madrid y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT, Madrid). Los grupos españoles han participado, desde hace 20 años, en todas las facetas del experimento: diseño, construcción, puesta en marcha, adquisición y análisis de datos, así como en el sistema de computación distribuida Grid. En particular, han hecho contribuciones directas muy importantes en la búsqueda del bosón de Higgs.
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