El bosón de Higgs para profanos

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.

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 ésto 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 un 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

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 similares, 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, Mediambientales 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.

Pablo García Abia es físico del Ciemat y miembro del experimento CMS