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Bosón de Higgs

Un rompecabezas en expansión

El recién descubierto bosón puede revelar las primeras pistas de una nueva física de las partículas elementales

046-053_Higgs_198-1Foto: Léo Ramos / Infográficos: Laura Daviña e Igor Zolnerkevic

En los próximos cinco meses, el mayor acelerador de partículas del mundo, el Large Hadron Collider (LHC), emplazado en la frontera entre Francia y Suiza, funcionará a todo vapor para producir algo más que una montaña de datos e intentar revelar la real identidad de la más reciente partícula elemental descubierta por los físicos. El pasado 4 de julio, en el marco de la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, el evento anual más importante de la física de partículas, investigadores de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern), a la que se encuentra vinculado el LHC, anunciaron haber hallado una nueva partícula elemental que, según todo indica, sería el bosón de Higgs, la pieza que faltaba para completar una exitosa teoría física denominada Modelo Estándar. Esa teoría explica de qué está hecha la materia y cómo se comporta a nivel subatómico. “Éste es el momento más fascinante de la física de partículas desde los años 1970”, declaró a la revista Pesquisa FAPESP el físico Joseph Incandela, coordinador de uno de los experimentos en el LHC.

Hasta el final de este año, el LHC provocará la colisión de otros 3 trillones de protones acelerados a velocidades cercanas a la de la luz en el interior de un anillo de 27 kilómetros de circunferencia construido a 100 metros bajo tierra para intentar caracterizar detalladamente la nueva partícula. Aunque parezca un contrasentido, los físicos anhelan que los datos recogidos revelen que la partícula recientemente identificada, aunque sea el mentado bosón de Higgs, no se comporte según lo que esperaban. El motivo de esto reside en que, si eso ocurriera, por primera vez en 40 años ellos habrán descubierto algo realmente inusitado para la física y lograrán avanzar algo más en la comprensión de cómo se desarrolló el Universo en sus primeros instantes de vida. No obstante, si esa partícula se comporta exactamente como imaginaron, habrán llegado a un callejón sin salida: el Modelo Estándar será confirmado, pero no habrá más pistas sobre cómo perfeccionarlo para responder a las inquietudes aún sin respuesta sobre el Universo.

046-053_Higgs_198-2El Modelo Estándar completo, solamente explica la existencia de un 4% de aquello que forma el Cosmos. Pero no brinda datos sobre el origen del 23% de materia oscura y del 73% de energía oscura que necesitan existir para que el Universo sea tal como se imagina que es. Además, el Modelo Estándar prácticamente no aporta información sobre qué habría ocurrido durante el primer segundo posterior al Big Bang, la explosión que habría dado origen al Universo hace 13.700 millones de años. En ese instante misterioso surgieron las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza –la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear débil y la nuclear fuerte, originadas probablemente de una única fuerza inicial– que permitieron la formación de la materia (vea infografía).

Para aclarar un poco más acerca de lo sucedido en ese precioso segundo, los físicos desarrollaron teorías que expanden el Modelo Estándar y prevén la existencia de otras partículas. Como por ahora ninguna de esas partículas ha sido detectada, no se sabe cuál de las principales candidatas –las teorías de la supersimetría, de los modelos compuestos y de las dimensiones extras– es la correcta (vea infografía). La expectativa de los físicos reside en que, al definir las características del bosón de Higgs o al encontrar una nueva partícula, puedan hallar evidencias que favorezcan alguna de esas proposiciones.

Buscado desde hace al menos tres décadas, el bosón de Higgs constituye la pieza clave del Modelo Estándar. Este modelo, desarrollado durante los años 1960, describe lo que sucede cuando las partículas subatómicas son aceleradas casi hasta la velocidad de la luz y colisionan entre sí, tal como ocurre en el LHC. Según la famosa ecuación de Einstein, que establece que la energía es equivalente al producto de la masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (E=mc2), la energía resultante de esas colisiones puede convertirse en masa, produciendo, como por arte de magia, el surgimiento en el vacío de nuevas partículas. Por regla general, las partículas masivas viven fracciones de segundo, rápidamente decaen, o sea, se transforman en una cascada de partículas más livianas que dejan rastros en detectores como por ejemplo el CMS y el Atlas del LHC, cuya construcción costó alrededor de 9 mil millones de dólares (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 147).

El resultado de esos decaimientos puede calcularse mediante las ecuaciones del Modelo Estándar, cuyas propiedades matemáticas determinan cómo interactúan las partículas. Al comienzo de su desarrollo, esas ecuaciones parecían funcionar muy bien, excepto por un detalle: consideraban que todas las partículas deberían ser similares a los fotones, que no tienen masa y, por ende, viajan siempre a la velocidad de la luz. Si efectivamente ocurriera eso con todas las partículas, el mundo tal como se lo conoce no existiría, pues ellas nunca estarían en reposo, lo cual permite la existencia de los átomos. Para compensar este detalle teórico crucial, Peter Higgs y otros físicos propusieron en 1964 la existencia de un campo de fuerza que atravesaría todo el espacio e interactuaría con diferentes intensidades con cada tipo de partícula, dotándolas de masas distintas. La prueba de que ese campo existe sería el descubrimiento de una partícula emergente durante colisiones de alta energía: el bosón de Higgs, que aparentemente ahora ha sido encontrado en el Cern (vea infografía).

046-053_Higgs_198-3Laura Daviña e Igor Zolnerkevic“Todo lo que medimos hasta ahora nos conduce a creer que hemos descubierto el bosón de Higgs”, afirma el físico Sérgio Novaes, líder de un grupo de investigadores del Instituto de Física Teórica de la Universidad Estadual Paulista (Unesp) y de la Universidad Federal del ABC que, con financiación de la FAPESP, colabora en el análisis de los datos aportados por el detector CMS.

Tanto el CMS como el Atlas obtuvieron ahora señales de que existe un nuevo bosón con una masa entre 125 y 126 gigaelectronvoltios (GeV), donde un GeV equivale a mil millones de electronvoltios, la unidad de energía que se utiliza para medir la masa de las partículas. La probabilidad de que la señal medida sea fruto del azar es de una en 3,5 millones. La nueva partícula también parece decaer tal como predice el Modelo Estándar, pero los investigadores deben analizar muchas más colisiones para determinar, con el mismo nivel de certeza, tanto el patrón de desintegración como otras propiedades del bosón. Incandela estima que el LHC logrará determinar esas características de la nueva partícula con mayor precisión hacia finales del año. Las dudas disminuirán todavía más a partir de 2015, cuando el LHC retomará su actividad luego de pasar dos años desconectado para realizarle ajustes que elevarán la energía de sus colisiones desde 8 hasta 13 teraelectronvoltios (TeV) aumentando 10 veces la cantidad de colisiones acumuladas para 2018.

Si se confirmaran los datos, el bosón de Higgs será la primera partícula elemental de una clase especial, enigmática para los teóricos. “Esta clase de partículas es un tanto misteriosa, pues su masa resulta muy difícil de estabilizar”, comenta Incandela, señalando el talón de Aquiles del Modelo Estándar, conocido como el problema de la jerarquía.

Este problema surge cuando se asume que el Modelo Estándar es una teoría que explica cómo interactúan las partículas y las fuerzas desde el instante inicial del Universo, el momento cero de la creación, cuando los niveles de energía eran billones de veces mayores que los alcanzados en el LHC, algo que en física se denomina escala de Planck, la mayor energía que podría existir en el Universo. En tales condiciones, la fuerza gravitatoria, que en general no afecta a las partículas por ser mucho menos intensa que las otras tres fuerzas, comienza a hacerse sentir. Al esbozar esa suposición, la teoría predice que ciertas interacciones del bosón de Higgs –consigo mismo y con las demás partículas– provocarían que su masa creciera violentamente hasta ser muchas veces mayor de lo que se esperaría observar. El Modelo Estándar sólo prevé la masa correcta del Higgs cuando se asume que algún efecto desconocido contrabalancea la espectacular ganancia de masa.

046-053_Higgs_198-4Léo RamosPara muchos físicos, la naturaleza de ese efecto podría revelarse en colisiones de partículas realizadas en el rango de energía que el LHC investiga actualmente. Luego de la búsqueda del bosón de Higgs –apodado, a disgusto de los físicos, como “partícula de Dios”, por sugerencia del editor del libro de 1993 del físico León Lederman y del divulgador científico Dick Teresi, cuyo título se modificó de The Goddamn Particle, en The God Particle–, ése constituyó el motivo principal para construir el LHC. “El problema de la jerarquía organiza nuestro pensamiento acerca de por qué y cómo extender el Modelo Estándar”, sostiene Gustavo Burdman, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP).

La búsqueda de una solución para el problema de la jerarquía es lo que impulsa desde hace décadas el trabajo de los físicos teóricos. Ellos intentan explicar tal efecto de diferentes maneras según las teorías de la supersimetría, de los modelos compuestos y de las dimensiones extras. Cada una aporta una estrategia para estabilizar la masa del bosón de Higgs.

Por mucho, la postulante más estudiada es la supersimetría. Esta teoría predice que, por cada partícula del Modelo Estándar, existiría otra partícula, denominada compañera supersimétrica o supercompañera. Las partículas supersimétricas sustraen parte de la masa del bosón de Higgs, en la misma proporción en que las partículas del Modelo Estándar incrementan la masa del mismo, eliminando, de tal modo, el problema de la jerarquía.

La supersimetría se popularizó entre los físicos por su elegancia matemática, que facilita los cálculos y aporta soluciones no sólo para el problema de la jerarquía. Las supercompañeras más livianas son perfectas candidatas para constituir la materia oscura. Además, la supersimetría posibilita la unificación de las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil del Modelo Estándar en una escala de energía cercana a la que reinaba en los primeros instantes luego del Big Bang (obsérvese la infografía).

La existencia de la supersimetría resulta necesaria para la consistencia de la teoría de las supercuerdas, que intenta unificar todas las fuerzas, incluso la gravitatoria. “Se trata de una bella teoría, con muy buenas propiedades; si existiera sería algo interesante”, comenta el físico Oscar Éboli, de la USP, quien busca evidencias de supersimetría en los datos del LHC.

Existen innumerables versiones de la supersimetría. Los modelos más sencillos preveían que ni bien se activara el LHC, en 2008, las supercompañeras aparecerían profusamente. Pero hasta ahora no se han detectado señales de éstas. Peor aún, la masa de lo que parece ser el bosón de Higgs es mayor que la prevista en esos modelos. “Los modelos más obvios se hallan en una coyuntura extremadamente difícil”, dice Éboli. Esto significa que la teoría podría ser bastante más complicada y las masas de las supercompañeras, mayores de lo que se pensaba. “Cuanto mayor es la masa, menor es el interés de ciertas áreas de la física, ya que no explica el problema de la jerarquía”, dice Ricardo Matheus, docente del Instituto de Física Teórica de la Unesp.

046-053_Higgs_198-5Laura Daviña e Igor ZolnerkevicDebido a esta falta de evidencias, las teorías alternativas a la supersimetría están siendo más investigadas en los últimos años. Una de ellas es la de los modelos compuestos, que afirma que el bosón de Higgs y posiblemente otras partículas del Modelo Estándar son compuestos de partículas aún más elementales. El hecho de que el bosón de Higgs esté formado por otras partículas modificaría sus propiedades, eliminando el efecto acumulador de masa que provoca el problema de la jerarquía.

Empero, si esa teoría fuera acertada, la historia de la física se repetirá otra vez. Hasta los años 1960 se creía que los protones, neutrones y otras partículas, tales como el pión, descubierto por el brasileño César Lattes en 1947, eran elementales. Con la aceptación del Modelo Estándar, quedó claro que éstas estaban compuestas por partículas aún más básicas: los quarks. Tal como en la supersimetría, los modelos compuestos prevén la existencia de nuevas partículas, todavía no observadas; y algunas versiones de estos modelos ya fueron descartadas. “Los modelos compuestos se contraponen con los datos desde hace tiempo”, dice Incandela, “pero no podemos descartarlos completamente”.

Otra solución para el problema de la jerarquía reside en la existencia de dimensiones espaciales extras, aunque todavía se trata de una posibilidad no comprobada experimentalmente. Estas dimensiones, difíciles de observar incluso por parte de los físicos, podrían, en primera instancia, detectarse en el LHC, ya que las partículas responsables de la fuerza gravitatoria, los gravitones, existen en niveles de energía del orden de los teraelectronvoltios. Para que así fuese, la energía del instante cero del Big Bang debería ser billones de veces menor que la que se calcula que haya sido. En otras palabras, la escala de Planck sería errónea y el bosón de Higgs no acumularía masa al haber alcanzado ya su mayor masa posible. Una de las consecuencias de tal teoría es que el Universo sería un segundo más joven.

El grupo de Novaes ha buscado señales de dimensiones extras en los datos recabados por el detector DZero, del recientemente desactivado acelerador estadounidense Tevatron, y por el LHC. En marzo de este año, los colaboradores de DZero publicaron en la revista Physical Review Letters un análisis llevado a cabo por Angelo Santos, alumno de doctorado de Novaes, que establece los primeros límites experimentales a la existencia de cierto modelo de dimensión extra.

Tanto el Tevatron como el LHC, sin embargo, descartaron dimensiones extras lo suficientemente grandes como para percibírselas con energías de hasta 2 TeV. Es posible que, al aumentar la energía de las colisiones, en el LHC se encuentren durante los próximos años evidencias de la existencia de dimensiones extras menores. Con todo, muchas de las teorías de dimensiones extras formulan previsiones casi idénticas a las de los modelos compuestos, lo cual no permitiría distinguir una de otra. “Se trata de uno de los próximos debates”, sospecha Burdman.

046-053_Higgs_198-6Léo Ramos“Todavía no observamos nada que se halle significativamente en desacuerdo con las expectativas de un Higgs del Modelo Estándar”, comenta Incandela al respecto de los resultados presentados el 4 de julio. No obstante, reconoce que hay algunos signos de que el bosón de Higgs puede no estar comportándose tal como se esperaba. “Estos indicios pueden convertirse en algo significativo hasta fin de año, aunque también pueden fácilmente desaparecer”, agrega.

Por ahora, el indicio más sorprendente es la transformación del nuevo bosón en pares de fotones, que parece ocurrir en una proporción mayor que la esperada. El Modelo Estándar prevé en qué partículas puede transformarse el bosón de Higgs y con qué frecuencia aparece cada una de ellas (vea figura).

En un análisis que publicaron un día después del anuncio del descubrimiento, Éboli y colegas de Estados Unidos y España también revelaron que la producción del probable bosón de Higgs en el LHC es alrededor de la mitad de la prevista por el Modelo Estándar.

Varios trabajos publicados a partir del 4 de julio especulan que, tanto el exceso de fotones como la escasa producción de bosones de Higgs son producto de la influencia de partículas supercompañeras. Éboli compara la confirmación de estos indicios con un test destinado a verificar si una moneda es falsa o no, donde, una vez arrojada hacia arriba, cuenta con la misma posibilidad de caer de cara o cruz. “Si una moneda se arroja 10 veces hacia arriba y se obtienen 7 caras y 3 cruces, se podría decir que hay una leve probabilidad de que sea falsa”, comenta. Esta hipótesis sólo puede confirmarse realmente si la moneda fuera arrojada muchas más veces. Por el mismo motivo, sólo será posible confirmar si el decaimiento del bosón en fotones está ocurriendo en una tasa anormal de analizarse muchas más colisiones. “El error experimental en los decaimientos todavía es grande y necesitamos recabar más datos para verificar si se trata del bosón de Higgs del Modelo Estándar”, comenta Éboli.

“El rol de los teóricos para este año, consiste en prestar atención a los datos y contestar rápidamente”, dice Matheus, de la Unesp, quien compara la actual coyuntura de los físicos con la de Cristóbal Colón antes de descubrir América. Burdman coincide: “La física puede cambiar de un día para otro”

El proyecto
Centro Regional de Análisis de São Paulo (n° 2008/02799-8); Modalidad Apoyo Regular al Proyecto de Investigación; Coordinador Sergio F. Novaes – Unesp; Inversión R$ 2.023.838,68 (FAPESP)

Artículos científicos
ABAZOV, V. M. et al. Search for Universal Extra Dimensions in pp-Collisions. Physical Review Letters. 30 mar. 2012.
CORBETT, T. et al. Constraining anomalous Higgs interactions. http://arxiv.org/pdf/1207.1344.pdf.

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