#OrgulloUNSAM, Escuela de Ciencia y Tecnología, home
Los físicos celebran diez años del descubrimiento del bosón de Higgs, pero muchas de sus propiedades siguen siendo un misterio. No te pierdas esta nota de la revista Nature, que incluye declaraciones de Daniel de Florian, nuestro especialista en física de las partículas elementales internacionalmente reconocido por su aporte al descubrimiento de la “partícula de Dios”.
El 4 de julio de 2012, los físicos del CERN, el laboratorio europeo de física de partículas, declararon la victoria en su larga búsqueda del bosón de Higgs. El descubrimiento de la escurridiza partícula llenó el último vacío en el modelo estándar, la mejor descripción de partículas y fuerzas de los físicos, y abrió una nueva ventana a la física al proporcionar una forma de aprender sobre el campo de Higgs, que involucra un tipo de interacción previa no estudiada, la cual otorga a las partículas sus masas.
Desde entonces, los investigadores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ubicado cerca de Ginebra (Suiza) han estado ocupados, publicando casi 350 artículos científicos sobre el bosón de Higgs. Sin embargo, muchas de las propiedades de la partícula siguen siendo un misterio.
En el décimo aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs, Nature analiza lo que nos ha enseñado sobre el Universo, así como las grandes preguntas que quedan por resolver.
La masa del bosón de Higgs es de 125 mil millones de electronvoltios
Los físicos esperaban encontrar el bosón de Higgs eventualmente, pero no sabían cuándo. En la década de 1960, el físico Peter Higgs y otros teorizaron que lo que ahora se llama un campo de Higgs podría explicar por qué el fotón no tiene masa y los bosones W y Z, que transportan la fuerza nuclear débil que está detrás de la radiactividad, son pesados (para partículas subatómicas). Las propiedades especiales del campo de Higgs permitieron que las mismas matemáticas explicaran las masas de todas las partículas, y se convirtió en una parte esencial del modelo estándar. Pero la teoría no hizo predicciones sobre la masa del bosón y, por lo tanto, cuándo el LHC podría producirla.
Finalmente, la partícula emergió mucho antes de lo esperado. El LHC comenzó a recopilar datos en su búsqueda del Higgs en 2009, y tanto ATLAS como CMS, los detectores de propósito general del acelerador, lo registraron en 2012. Los detectores observaron la descomposición de solo unas pocas docenas de bosones de Higgs en fotones, Ws y Zs, lo que reveló un aumento en los datos de 125 mil millones de electronvoltios (GeV), unas 125 veces la masa del protón.
“La masa de Higgs de 125 GeV lo coloca en un punto óptimo, el cual nos muestra que el bosón se desintegra en una amplia gama de partículas a una frecuencia lo suficientemente alta como para que los experimentos del LHC lo puedan observar”, dice Matthew Mccullough, físico teórico del CERN. “Es muy extraño y probablemente una casualidad, pero ocurre que, en este nivel de masa, puedes medir muchas cosas diferentes sobre el Higgs”.
El bosón de Higgs es una partícula de espín cero
El espín es una propiedad intrínseca de la mecánica cuántica de una partícula, a menudo representada como una barra magnética interna. Todas las demás partículas fundamentales conocidas tienen un giro de 1/2 o 1, pero las teorías predijeron que el Higgs debería ser el único en tener un giro de cero (también se predijo correctamente que tendría carga cero).
En 2013, los experimentos del CERN estudiaron el ángulo en el que los fotones producidos en las desintegraciones del bosón de Higgs volaron hacia los detectores y lo usaron para mostrar con alta probabilidad que la partícula tenía un espín cero. “Hasta que esto se demostró, pocos físicos se sentían cómodos llamando Higgs a la partícula que habían encontrado”, dice Ramona Gröber, física teórica de la Universidad de Padua en Italia.
Las propiedades de Higgs descartan algunas teorías que amplían el modelo estándar
Los físicos saben que el modelo estándar no está completo. Falla a altas energías y no puede explicar observaciones clave, como la existencia de materia oscura o por qué hay tan poca antimateria en el Universo. Entonces, los físicos han ideado extensiones del modelo que las tienen en cuenta. “El descubrimiento de la masa de 125 GeV del bosón de Higgs ha hecho que algunas de estas teorías sean menos atractivas”, dice Gröber. “Pero la masa está en una zona gris, lo que significa que descarta muy poco categóricamente”, dice Freya Blekman, física de partículas del German Electron Synchrotron (DESY) en Hamburgo, que afirma: “Lo que tenemos es una partícula que es consistente con más o menos cualquier cosa”.
El bosón de Higgs interactúa con otras partículas como predice el modelo estándar
Según el modelo estándar, la masa de una partícula depende de la fuerza con la que interactúa con el campo de Higgs. Aunque el bosón, que es como una onda en el campo de Higgs, no tiene un papel en ese proceso, la velocidad a la que los bosones de Higgs se descomponen o son producidos por cualquier otra partícula proporciona una medida de la fuerza con la que esa partícula interactúa con el campo. Los experimentos del LHC han confirmado que, al menos para las partículas más pesadas producidas con mayor frecuencia en las desintegraciones de Higgs, la masa es proporcional a la interacción con el campo, una victoria notable para una teoría de sesenta años.
El Universo es estable, pero apenas
Los cálculos que utilizan la masa del bosón de Higgs sugieren que el Universo podría ser solo temporalmente estable, y existe una posibilidad muy pequeña de que pueda cambiar a un estado de menor energía, con consecuencias catastróficas.
A diferencia de otros campos conocidos, el campo de Higgs tiene un estado de energía más bajo por encima de cero, incluso en el vacío, y se extiende por todo el Universo. Según el modelo estándar, este “estado fundamental” depende de cómo interactúan las partículas con el campo. Poco después de que los físicos descubrieran la masa del bosón de Higgs, los teóricos usaron el valor (junto con otras medidas) para predecir que también existe un estado de energía más bajo y preferible.
“Cambiar a este otro estado requeriría superar una enorme barrera de energía y la probabilidad de que esto suceda es tan pequeña que es poco probable que ocurra en la escala de tiempo de la vida útil del Universo. Nuestro fin del mundo será mucho antes, por otras razones”, dice Mccullough.
¿Podemos hacer que las mediciones de Higgs sean más precisas?
Hasta ahora, las propiedades del bosón de Higgs, al igual que su fuerza de interacción, coinciden con las predichas por el modelo estándar, pero con una incertidumbre de alrededor del 10 %. “Esto no es lo suficientemente bueno para mostrar las sutiles diferencias predichas por las nuevas teorías físicas, que son solo ligeramente diferentes del modelo estándar”, dice Blekman.
Más datos aumentarán la precisión de estas mediciones y el LHC ha reunido solo una vigésima parte de la cantidad total de información que se espera recopilar. “Observar indicios de nuevos fenómenos en estudios de precisión es más probable que observar directamente una nueva partícula”, dice Daniel de Florian, físico teórico de la Universidad Nacional de San Martín (Argentina), que asegura: “Durante la próxima década o más, el nombre del juego es precisión”.
¿El Higgs interactúa con partículas más ligeras?
Hasta ahora, las interacciones del bosón de Higgs parecían encajar con el modelo estándar, pero los físicos lo han visto descomponerse solo en las partículas de materia más pesadas, como el quark “b”. Los físicos ahora quieren comprobar si interactúa de la misma manera con partículas de familias más ligeras, conocidas como generaciones. En 2020, CMS y ATLAS vieron una de esas interacciones: la rara descomposición de un Higgs a un primo de segunda generación del electrón llamado muón. Aunque esto es evidencia de que la relación entre la masa y la fuerza de interacción se mantiene para las partículas más ligeras, los físicos necesitan más datos para confirmarlo.
¿El Higgs interactúa consigo mismo?
El bosón de Higgs tiene masa, por lo que debería interactuar consigo mismo. Pero tales interacciones, como por ejemplo la descomposición de un bosón de Higgs energético a dos menos energéticos, son extremadamente raras, porque todas las partículas involucradas son muy pesadas. ATLAS y CMS esperan encontrar indicios de las interacciones después de una actualización planificada del LHC a partir de 2026, pero la evidencia concluyente requerirá de un colisionador más poderoso.
“La tasa de esta autointeracción es crucial para comprender el Universo”, dice Mccullough, que amplía: “La probabilidad de autointeracción está determinada por cómo cambia la energía potencial del campo de Higgs cerca de su mínimo, lo que describe las condiciones justo después del Big Bang. Entonces, conocer la autointeracción de Higgs podría ayudar a los científicos a comprender la dinámica del Universo primitivo”. Gröber señala que muchas teorías que intentan explicar cómo la materia de alguna manera se volvió más abundante que la antimateria requieren autointeracciones de Higgs que divergen de la predicción del modelo estándar hasta en un 30 %. “No puedo enfatizar cuán importante es esta medida”, dice Mccullough.
¿Cuál es el tiempo de vida del bosón de Higgs?
Los físicos quieren saber la vida útil del Higgs (cuánto tiempo, en promedio, permanece antes de descomponerse en otras partículas) porque cualquier desviación de las predicciones podría apuntar a interacciones con partículas desconocidas, como las que forman la materia oscura. Pero su vida útil es demasiado pequeña para medirla directamente.
Para medirlo indirectamente, los físicos observan la dispersión, o ‘ancho’, de la energía de la partícula en múltiples mediciones (la física cuántica dice que la incertidumbre en la energía de la partícula debería estar inversamente relacionada con su tiempo de vida). El año pasado, los físicos de CMS produjeron su primera medida aproximada de la vida útil del Higgs: 2,1 × 10−22 segundos. Los resultados sugieren que el tiempo de vida es consistente con el modelo estándar.
¿Son verdaderas algunas predicciones exóticas?
Algunas teorías que amplían el modelo estándar predicen que el bosón de Higgs no es fundamental, sino que, como el protón, está formado por otras partículas. Otros predicen que hay múltiples bosones de Higgs que se comportan de manera similar, pero difieren, por ejemplo, en la carga o el giro. Además de verificar si el Higgs es realmente una partícula del modelo estándar, los experimentos del LHC buscarán propiedades predichas por otras teorías, incluidas las desintegraciones en combinaciones de partículas prohibidas.
Los físicos están apenas al comienzo de sus esfuerzos por comprender el campo de Higgs, cuya naturaleza única hace que “se comporte como un portal hacia la nueva física”, dice de Florian. “Hay mucho espacio para la emoción aquí”.
WEB UNSAM
