CIENCIA. El Bosón de Higgs podría desbloquear una nueva física más allá del modelo estándar

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Hace diez años, los científicos anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs , que ayuda a explicar por qué las partículas elementales (los bloques de construcción más pequeños de la naturaleza) tienen masa. Para los físicos de partículas, este fue el final de un viaje enormemente difícil de décadas, y posiblemente el resultado más importante en la historia del campo. Pero este final también marcó el comienzo de una nueva era de la física experimental.

En la década pasada, las mediciones de las propiedades del bosón de Higgs confirmaron las predicciones del modelo estándar de física de partículas (nuestra mejor teoría para las partículas). Pero también ha planteado preguntas sobre las limitaciones de este modelo, como si existe una teoría de la naturaleza más fundamental.

El físico Peter Higgs predijo el bosón de Higgs en una serie de artículos entre 1964 y 1966, como una consecuencia inevitable del mecanismo responsable de dar masa a las partículas elementales. Esta teoría sugiere que las masas de partículas son una consecuencia de las partículas elementales que interactúan con un campo, denominado campo de Higgs. Y de acuerdo con el mismo modelo, dicho campo también debería dar lugar a una partícula de Higgs, lo que significa que si el bosón de Higgs no estuviera allí, esto en última instancia falsearía toda la teoría.

El físico Peter Higgs. wikipedia , CC BY-SA


Pero pronto quedó claro que descubrir esta partícula sería un desafío. Cuando tres físicos teóricos calcularon las propiedades de un bosón de Higgs, concluyeron con una disculpa : "Pedimos disculpas a los experimentadores por no tener idea de cuál es la masa del bosón de Higgs... y por no estar seguros de sus acoplamientos con otras partículas... Por estas razones, no queremos fomentar grandes búsquedas experimentales del bosón de Higgs".

Hubo que esperar hasta 1989 para el primer experimento con una posibilidad seria de descubrir el bosón de Higgs y comenzar su búsqueda. La idea era unir partículas con una energía tan alta que se podría crear una partícula de Higgs en un túnel de 27 km de largo en Cern en Ginebra, Suiza: el mayor colisionador de electrones-positrones (un positrón es casi idéntico a un electrón pero tiene carga opuesta) jamás construido. Funcionó durante 11 años, pero su energía máxima resultó ser solo un 5% demasiado baja para producir el bosón de Higgs.

Mientras tanto, el colisionador estadounidense más ambicioso de la historia, el Tevatron , había comenzado a tomar datos en Fermilab, cerca de Chicago. El Tevatron hizo colisionar protones (que, junto con los neutrones, forman el núcleo atómico) y antiprotones (casi idénticos a los protones pero con carga opuesta) con una energía cinco veces mayor que la que se logró en Ginebra, seguramente suficiente para hacer el Higgs. Pero las colisiones protón-antiprotón producen muchos desechos, lo que dificulta mucho la extracción de la señal de los datos. En 2011, el Tevatron dejó de funcionar: el bosón de Higgs volvió a escapar a la detección.

En 2010, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) comenzó a colisionar protones con siete veces más energía que el Tevatron. Finalmente, el 4 de julio de 2012, dos experimentos independientes en el Cern recolectaron suficientes datos para declarar el descubrimiento del bosón de Higgs. Al año siguiente, Higgs y su colaborador François Englert ganaron el premio Nobel “por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestra comprensión del origen de la masa de las partículas subatómicas”.

Sin el bosón de Higgs, todo el marco teórico que describe la física de partículas en sus escalas más pequeñas se desmorona. Las partículas elementales no tendrían masa, no habría átomos, humanos, sistemas solares ni estructura en el universo.

Problemas en el horizonte

Sin embargo, el descubrimiento ha planteado nuevas preguntas fundamentales. Los experimentos en el Cern han continuado investigando el bosón de Higgs. Sus propiedades no solo determinan las masas de las partículas elementales, sino también su estabilidad. Tal como está, los resultados indican que nuestro universo no se encuentra en un estado perfectamente estable En cambio, similar al hielo en el punto de fusión, el universo podría experimentar repentinamente una rápida "transición de fase". Pero en lugar de pasar de sólido a líquido, como la transición del hielo al agua, esto implicaría cambiar de manera crucial las masas y las leyes de la naturaleza en el universo.

El hecho de que el universo, sin embargo, parezca estable sugiere que podría faltar algo en los cálculos, algo que aún no hemos descubierto.

Después de una pausa de tres años para el mantenimiento y las actualizaciones, las colisiones en el LHC ahora están a punto de reanudarse con una energía sin precedentes, casi el doble de la utilizada para detectar el bosón de Higgs. Esto podría ayudar a encontrar partículas faltantes que alejan a nuestro universo del aparente filo de la navaja entre ser estable y experimentar rápidamente una transición de fase.

El experimento también podría ayudar a responder otras preguntas. ¿Podrían las propiedades únicas del bosón de Higgs convertirlo en un portal para descubrir la materia oscura, la sustancia invisible que constituye la mayor parte de la materia del universo? La materia oscura no está cargada. Y el bosón de Higgs tiene una forma única de interactuar con la materia sin carga.

Las mismas propiedades únicas han hecho que los físicos se pregunten si, después de todo, el bosón de Higgs podría no ser una partícula fundamental. ¿Podría haber una fuerza nueva y desconocida más allá de las otras fuerzas de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte? ¿Quizás una fuerza que une partículas hasta ahora desconocidas en un objeto compuesto que llamamos bosón de Higgs?

Han pasado 10 años desde que se descubrió el Higgs. D-VISIONES/Shutterstock


Tales teorías pueden ayudar a abordar los controvertidos resultados de mediciones recientes que sugieren que algunas partículas no se comportan exactamente como sugiere el modelo estándar. Por lo tanto, estudiar el bosón de Higgs es vital para determinar si hay física por descubrir más allá del modelo estándar.

Eventualmente, el LHC se encontrará con el mismo problema que el Tevatron. Las colisiones de protones son desordenadas y la energía de sus colisiones solo llegará hasta cierto punto. Aunque tenemos a nuestra disposición todo el arsenal de la física de partículas moderna, incluidos detectores sofisticados, métodos de detección avanzados y aprendizaje automático, hay un límite para lo que el LHC puede lograr.

Un futuro colisionador de alta energía, diseñado específicamente para producir bosones de Higgs, permitirá medir con precisión sus propiedades más importantes, incluida la forma en que el bosón de Higgs interactúa con otros bosones de Higgs. Esto, a su vez, determinaría cómo interactúa el bosón de Higgs con su propio campo. Por lo tanto, estudiar esta interacción podría ayudar a investigar el proceso subyacente que da masa a las partículas. Cualquier desacuerdo entre la predicción teórica y una medición futura sería una señal inequívoca de que necesitamos inventar una nueva física.

Estas mediciones tendrán un profundo impacto que va mucho más allá de la física de los colisionadores, guiando o restringiendo nuestra comprensión del origen de la materia oscura, el nacimiento de nuestro universo y, quizás, su destino final.

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