La búsqueda del bosón de Higgs en el LHC con el detector Atlas

El LHC (Large Hadron Collider en sus siglas en inglés) es un acelerador de partículas construido en el laboratorio del CERN, e instalado en un túnel circular de 27 kilómetros de circunferencia a cien metros de profundidad en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra.

El acelerador está formado por 1232 imanes superconductores que funcionan a una temperatura de menos 271 grados centígrados, lo que le hace el lugar más frío del Universo. En el LHC se aceleran haces de protones a casi la velocidad de la luz y se hacen colisionar con una energía de hasta 8 TeV (teraelectronvoltios), la energía más alta jamás alcanzada por el hombre, y que reproduce las condiciones de temperatura existentes tan sólo fracciones de segundo después del Big Bang.

El LHC produce mil millones de colisiones por segundo en el centro de los experimentos: enormes instrumentos complejos (a veces considerados catedrales de las tecnologías del siglo XXI) formados por detectores muy precisos, que usan tecnología punta y que tienen la capacidad de estudiar las partículas resultantes de las colisiones.

ATLAS es un detector de 45 metros de longitud, 25 metros de altura, 7000 toneladas de peso, y con más de 160 millones de canales de lectura. El volumen de datos acumulados por los experimentos es inmenso (equivalente a 27 CDs por minuto). Su análisis requiere una capacidad de cálculo sin precedentes, sólo posible gracias al GRID: un sistema de computación distribuida en centros de cálculo alrededor de todo el planeta.

Uno de los objetivos principales del LHC es la búsqueda del bosón de Higgs, el único ingrediente que falta en la gran construcción teórica llamada el Modelo Estándar, que hasta el día de hoy describe con precisión los interacciones entre las partículas elementales conocidas. Este énfasis del LHC en descubrir y estudiar el bosón de Higgs está bien justificado: a esta partícula se la considera responsable de generar la masa del resto de partículas elementales, sin la cual el Universo sería un lugar mucho más inhóspito, y ciertamente incapaz de albergar la vida tal y como la conocemos.

Al bosón de Higgs se le considera responsable de generar la masa del resto de partículas elementales

Durante los últimos cuarenta años, los físicos de partículas han estado buscando indicios de la existencia del bosón de Higgs entre los productos resultantes de la colisiones de partículas a energías cada vez más altas. Una vez producido como resultado de una colisión, el bosón de Higgs rápidamente se desintegra en parejas de partículas más ligeras dejando huellas bien definidas en los detectores, que las distinguen de otras colisiones de menos interés. Los físicos se centran en estudiar aquellos modos de desintegración que permiten más fácilmente identificar una señal de Higgs y medir sus propiedades como, por ejemplo, su masa. Los modos de desintegración más explorados son aquellos donde el Higgs se desintegra en una pareja de quarks “bottom”, en una pareja de fotones (la partícula asociada con la luz) o en una pareja de bosones W o Z (un tipo de “fotones” pesados presentes en desintegraciones radiactivas).

En los años noventa, el bosón de Higgs fue buscado sin éxito por el acelerador de partículas LEP del CERN, que estableció que en caso de existir, el bosón de Higgs tendría que tener una masa superior a aproximadamente 115 GeV (gigaelectronvolts). Durante la última década, los físicos han usado el acelerador Tevatron, en el laboratorio Fermilab cerca de Chicago (Estados Unidos), donde protones y antiprotones colisionaban a energías cercanas a 2 TeV. En septiembre del 2011, el Tevatron cesó de producir colisiones pero la búsqueda del Higgs en los datos acumulados aún continua.

El experimento ATLAS en una colaboración internacional de más de 3000 científicos provenientes de 175 instituciones en 38 países

Aunque es improbable que el Tevatron pueda descubrir el bosón de Higgs, proporcionará información complementaria que ayude a aclarar la naturaleza de un posible descubrimiento en el LHC. Mientras que en el LHC los modos preferidos para buscar el Higgs son aquellos modos de desintegración con dos fotones o dos bosones Z, que permiten una medida precisa de su masa, el Tevatron es particularmente sensible al modo de desintegración en dos quarks “bottom”.

El experimento ATLAS en una colaboración internacional de más de 3000 científicos provenientes de 175 instituciones en 38 países, y entre las que se encuentran algunas de las más prestigiosas universidades y laboratorios del mundo. Desde 2009, cuando se inyectaron los primeros haces de protones de alta energía en el LHC, ATLAS fue a la caza del bosón de Higgs. En Diciembre de 2011, ATLAS presentó sus primeros resultados tras el análisis de los datos acumulados durante el año. Por entonces las medidas de ATLAS sugerían la presencia de un pequeño exceso de sucesos alrededor de una masa de 126 GeV (126 veces la masa de protón) aunque la precisión de los datos no permitió a los físicos descartar que no se tratase una mera fluctuación en la medida, producto del azar.

En 2012, el LHC aumentó su energía de las colisiones (de 7 TeV a 8 TeV) y durante los seis primeros meses ATLAS ya ha acumulado más datos que durante todo el año anterior. En los últimos meses, los científicos en ATLAS han mantenido una actividad frenética de análisis de los datos que concluye ahora. Los nuevos resultados llegan a tiempo para ser presentados en su conferencia internacional más importante, que este año tiene lugar en Melbourne (Australia).

El experimento ATLAS ha podido confirmar la presencia de un exceso de sucesos correspondiente a una partícula con masa de 126 GeV. En el lenguaje de los físicos, la significancia del efecto observado supera las 5 sigmas que corresponde a un margen de error menor del 0.00006%. Las medidas indican que podría tratarse del bosón de Higgs del Modelo Estándar, aunque los físicos son cautos. Antes de poder afirmarlo estudios detallados de sus propiedades son aún necesarios. Esto requerirá más tiempo y más datos, y será el centro de la actividad de los científicos de ATLAS durante los próximos años. Los experimentos del LHC seguirán tomando datos durante el resto de 2012, lo que les permitirá doblar el volumen de los datos ya analizados.

Por su parte, el Tevatron en USA presentó sus últimos resultados de la búsqueda del Higgs el 2 de Julio en Fermilab. Los datos sugieren la presencia de un exceso de sucesos compatibles con un bosón de Higgs con masa de entre 115 y 135 GeV. Los resultados tienen un margen de error del orden de 0.2% y no son significativos dentro de los altos estándares científicos, pero invitan a pensar que los físicos del LHC están más y más cerca de dar respuesta a una pregunta con la que convivimos desde hace más de 50 años.

Y todo esto es sólo el principio. El LHC aspira a determinar la naturaleza de la materia oscura en el Universo, establecer o no la existencia de nuevas dimensiones más allá de las conocidas (tres coordenadas espaciales y el tiempo), explicar la asimetría entre materia y antimateria (la ausencia de antimateria) en el Universo conocido, y progresar en la búsqueda de una teoría del todo que logre unificar la descripción de las diferentes interacciones entre partículas en términos de una sola.

Participación española en Atlas

ATLAS incluye la participación de investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València; el Institut de Fisica d'Altes Energies (IFAE), consorcio entre la Generalitat de Catalunya y la Universitat Autònoma de Barcelona; el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CNM‐IMB‐CSIC); y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

El IFIC, en colaboración con el CNM‐IMB‐CSIC, ha contribuido al diseño del detector de trazas del experimento ATLAS, su electrónica y sensores, y ha construido 280 módulos de silicio completamente equipados. IFAE, junto con el IFIC, jugó un papel principal en el diseño y construcción del calorímetro hadrónico de ATLAS y se responsabilizó de la construcción de una de las tres secciones centrales del calorímetro formada por 64 módulos de 11 toneladas cada uno. El IFIC ha diseñado y producido la totalidad de la electrónica de lectura y adquisición de datos, mientras que el IFAE desarrolló una parte significativa de la electrónica de calibración y contribuyó a la arquitectura del sistema de Trigger de pre-selección y adquisición en tiempo real de los datos. La UAM participó en la construcción del calorímetro electromagnético, otro de los detectores de ATLAS, haciéndose cargo de la construcción de una cuarta parte.

Desde la puesta en marcha del detector ATLAS, los miembros de las diferentes instituciones españolas participan activamente en la operación y mantenimiento de los detectores, con una fuerte presencia en las actividades de alineamiento, calibración y selección de datos online.

Dentro del amplio programa de investigación del LHC, los grupos españoles en ATLAS participan en un gran número de líneas de investigación en el análisis de los datos, que cubren muchos de los temas a priori más interesantes del programa del LHC. En particular, en el caso de la búsqueda del bosón de Higgs del Modelo Estándar los grupos han estudiado diferentes estados finales resultado de la desintegración de la partícula de Higgs en dos fotones, dos leptones taus, dos quarks bottom, y dos bosones Z o W.

El sistema mundial de proceso de datos para el LHC (GRID) es el de mayor capacidad jamás construido. Su núcleo central está compuesto por el propio CERN y 11 centros de primer nivel conectados directamente al CERN por fibras ópticas de alta capacidad. Uno de estos 11 centros de primer nivel es gestionado por España desde el Port d'Informació Científica (PIC), situado en el campus de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB).

Mario Martinez es el investigador principal del Grupo del Instituto de Fisica de Altas Energías (IFAE) en ATLAS. Universidad Autónoma de Barcelona (PI del grupo del IFAE en ATLAS)