La 'caza' del bosón de Higgs

La primera semana de julio del presente año está siendo particularmente excitante para la física en general y para la física de partículas elementales, en particular. Los dos laboratorios más importantes del mundo dedicados a la búsqueda del bosón de Higgs, el Tevatrón de Chicago y el LHC del CERN, en Ginebra, han mostrado sus resultados globales al mundo, en sendos seminarios técnicos.

Los resultados mostrados, en particular los del LHC, indican la existencia de una nueva partícula con una masa de 125,3 más/menos 0,6 gigaelectronvoltios (GeV), con un valor de 4.9 sigma, que es compatible con la existencia del bosón de Higgs. ¿Qué significan estos resultados? En la década de los sesenta la Física desarrolló su teoría fundamental de la composición de la materia y de sus fuerzas básicas, conocida como Modelo Estándar. Un ingrediente esencial de esta teoría era el mecanismo por el que se origina la masa. Este consistía en la existencia de un campo universal, al cual las partículas se acoplan, siendo la masa una medida de la magnitud de ese acoplamiento. La teoría era debida al físico escocés Peter W. Higgs y los físicos holandeses Robert Brout y François Englert, que junto con otros como Tom Kibble y sus colaboradores la desarrollaron. Un componente del propio campo es el denominado bosón de Higgs. Es el único componente del Modelo Estándar que ha resistido su observación en los casi 50 años de historia de la teoría.

El conocimiento de la materia y de las fuerzas más fundamentales, que es equivalente al conocimiento del Universo y su evolución, ha sido y es el objetivo de los grandes aceleradores de partículas, los cuales, ya desde la década anterior al nacimiento de la teoría estándar, han logrado observar y medir con extraordinaria precisión todos los parámetros de la misma, con excepción del bosón de Higgs, que se ha resistido a la curiosidad e interés científico. ¿Por qué ha sido así?

El bosón de Higgs es el único componente del Modelo Estándar que ha resistido su observación en casi 50 años

El modo en que se comporta hace que el bosón de Higgs requiera aceleradores de muy alta energía y detectores muy sofisticados para su observación. Tras ser producido se desintegra inmediatamente, de modo que la observación del mismo se debe deducir del análisis de sus productos de desintegración. Seleccionarlos requiere una ingente labor en la que hay que emplear un gran ingenio y unas técnicas muy sofisticadas, que se han ido mejorando progresivamente.

El cerco a la partícula de Higgs se ha ido acortando gracias a métodos indirectos basados en la propia “magia” de la física cuántica. Así, la medida precisa de las masas del quark top y de los bosones W, elementos muy bien conocidos del modelo estándar gracias a los estudios de los aceleradores LEP (“Large Electron Positron”) del CERN y del Tevatron del Fermilab, está muy relacionada con el valor esperado de la masa para el bosón de Higgs.

Las búsquedas directas se han realizado en el LEP, en el acelerador de protones y antiprotones Tevatron, y, actualmente, en el colisionador de protones del CERN, el LHC, cuya principal finalidad es, precisamente, su descubrimiento.

Como los protones y antiprotones no son partículas elementales, la colisión se produce entre dos partes de ellos, por lo que solo se aprovecha una parte de la energía de los haces. Además, las partes que no colisionan “ensucian” el suceso, haciendo más difícil su análisis. Esto ocurre en los aceleradores hadrónicos, como el Tevatron y el LHC.

La identificación de señales compatibles con el bosón de Higgs requiere además, tanto en el Tevatrón como en el LHC, métodos muy sofisticados y complejos de análisis y simulación. Se trata de resolver sucesos candidatos entre cientos de billones de colisiones.

Las búsquedas del bosón de Higgs en estos colisionadores se optimiza para observar distintas combinaciones de partículas procedentes de sus desintegración , tal como lo predice el Modelo Estándar. En el LHC los experimentos se han enfocado, sobre todo, en las desintegraciones a dos fotones o a cuatro leptones, las más sensibles para dicho acelerador. En el Tevatron, los estudios se han enfocado a las desintegraciones en pares de quark bottom-antibottom. Por esa razón, los resultados del Tevatron, siendo mucho menos sensible que los del LHC, son complementarios al mismo y refuerzan los resultados obtenidos en el LHC.

El cerco a la partícula de Higgs se ha ido acortando gracias a métodos indirectos basados en la propia “magia” de la física cuántica

Los grupos experimentales españoles son muy activos en este cometido. Ya, en los experimentos del LEP, a finales de los 90 y comienzos de este siglo XXI, diversas instituciones españolas realizaron trabajos de búsqueda y coordinación con otros grupos teóricos para la búsqueda del bosón de Higgs.

En el Tevatron, del “Fermi National Accelerator Laboratory”, en las cercanías de Chicago (USA), el Instituto de Física de Cantabria (IFCA) se unió a la colaboración CDF en el año 1999, después de que algunos de sus miembros ya hubieran participado en la primera etapa del Tevatrón. Poco tiempo después se unieron los grupos del CIEMAT, de Madrid , el IFAE, de Barcelona y la Universidad de Oviedo (UO). Además de ser partícipes de forma muy notable en algunos de los hitos más señalados del Tevatrón, los grupos españoles se embarcaron en la “caza” del bosón de Higgs.

Por lo que se refiere al LHC, la participación española abarca los cuatro experimentos ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. Concretamente, en el experimento ATLAS participan los grupos del IFAE, el IFIC y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). En CMS colaboran el CIEMAT, el IFCA , la UAM y la UO. Han participado en todos los aspectos, tanto en la construcción de detectores sofisticados, como en las tareas “gigantescas” de cómputo de las señales obtenidas en los experimentos y análisis de los mismos.

Si bien los resultados mostrados son consistentes con la existencia del bosón de Higgs, aún no es posible demostrar su existencia. Para ello no basta la observación de algo compatible, sino que se requiere estudiar sus propiedades con precisión. Ello requerirá el esfuerzo continuado de los físicos del LHC durante los próximos años y, posiblemente, la construcción y explotación de un nuevo acelerador lineal electrón-positrón(antielectrón), que se está diseñando a nivel mundial. Los físicos españoles están participando muy activamente en estos estudios.

Alberto Ruiz Jimeno es el jefe del Grupo de Física de Altas Energías del Instituto de Física de Cantabria (CSIC-Universidad de Cantabria).