El bosón de Higgs contado por dos físicas españolas del LHC

Tras muchos rumores, por fin el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) anunciará mañana en su sede cerca de Ginebra –y no en Australia como han indicado algunos medios– los últimos datos sobre el bosón de Higgs. La noticia se ha hecho coincidir –eso sí– con el inicio de la mayor conferencia sobre física de altas energías, ICHEP 2012, que se celebra en Melbourne entre el 4 al 11 de julio.

En la ciudad australiana se analizarán los resultados recogidos en los últimos meses por los dos experimentos protagonistas del esperado anuncio: ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) y CMS (Compact Muon Solenoid), dos gigantescos detectores de partículas del LHC. En el primero trabaja la científica Carmen García del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto CSIC-Universidad de Valencia), y en el segundo Teresa Rodrigo, del Instituto de Física de Cantabria (IFCA, otro centro mixto del CSIC y la Universidad de Cantabria).

Las investigadoras no pueden desvelar hasta mañana los detalles del descubrimiento, pero sí pueden explicar el complejo contexto en el que se enmarca, empezando por el principio: ¿Qué es el bosón de Higgs, la escurridiza partícula que los físicos buscan desde hace más de dos décadas?

“Se trata de un tipo de partícula con un papel considerado fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa del resto de las partículas elementales”, comenta García. “Sin masa, el universo sería un lugar muy diferente. Por ejemplo, si el electrón no tuviera masa, no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos. No habría química, ni biología, ni existiríamos nosotros mismos”.

El campo de Higgs

Pero no todas las partículas tienen masa. Algunas, como los denominados ‘gluones’, carecen de ella. Para explicar estas diferencias, el físico británico Peter Higgs postuló en los años 60 del siglo XX un mecanismo que se conoce como el ‘campo de Higgs’, una especie de continuo que se extiende por todo el espacio. “La masa de las partículas estaría causada por una "fricción" con el campo de Higgs, por lo que las más ligeras se moverían por este campo fácilmente mientras que las más pesadas lo harían con mayor dificultad”, explica Carmen García.

La investigadora aclara que, al igual que el fotón es el componente fundamental de la luz, el campo de Higgs requiere de la existencia de sus propias partículas: los bosones de Higgs. “Se trata de la última pieza que falta para completar el denominado Modelo Estándar de Física de Partículas”.

Este modelo es el pilar de la física actual, que describe bastante bien lo que se sabe de las partículas elementales (bosones y fermiones que, a su vez, se dividen en leptones y quarks) que componen todo lo que vemos. También explica cómo interaccionan entre ellas mediante las cuatro fuerzas fundamentales (electromagnética, nuclear fuerte, nuclear débil y gravitatoria), pero no aclara el misterio de la masa.

“Confirmar la existencia del bosón de Higgs en el modelo estándar supondría haber comprendido el mecanismo por el cual las partículas adquieren masas –insiste Teresa Rodrigo–, un mecanismo que en su versión más simple predice la existencia de –al menos– un bosón que cuando interacciona con las otras partículas (quarks, leptones y otros bosones), hace que estas adquieran masa”.

Pero la científica y presidenta del Consejo de la Colaboración CMS también recuerda lo difícil que es detectarla: “El boson de Higgs ‘vive’ un tiempo muy corto, es decir, se desintegra enseguida en otras partículas y se existen cinco posibilidades más probables en el rango de masas que ahora se está estudiando”.

Según los últimos datos tomados tanto en el LHC como en su jubilado competidor de EE UU, el Tevatrón del Laboratorio Fermilab, ese rango oscila entre 115 y 135 gigaelectronvoltios (GeV). Recientemente la portavoz del experimento ATLAS, Fabiola Gianotti, fue más allá y concretó que se había empezado a ver un “fascinante exceso de eventos” en torno a los 125 GeV. Es probable que mañana se pueda confirmar este extremo.

La desintegración en dos fotones

Respecto a las cinco posibilidades de desintegración en otras partículas, “según sea su masa –dice Rodrigo– decaerá con más o menos frecuencia en dos fotones, dos bosones W, dos bosones Z, dos quarks bottom o dos leptones taus”. ¿Cuál de las cinco es la más probable? Los rumores apuntan a que mañana se anunciará la primera: dos fotones, pero hay que esperar.

De todas formas no es la única partícula que se puede desintegrar de esta manera. “Si se detectan dos fotones en las colisiones, no se sabe si han sido producidos por un bosón de Higgs o por otra partícula distinta”, apunta Carmen García. “La evidencia de la existencia del bosón de Higgs se muestra como un exceso de señales respecto a la esperada en los procesos conocidos: es un proceso estadístico”.

Para medir esta estadística, los científicos trabajan con un concepto denominado ‘sigma’. Por ejemplo, esta semana los responsables del Tevatrón han presentado evidencias sobre el bosón de Higgs con un nivel de certeza 2,9 sigma. Esto implica que solo hay una posibilidad entre 550 de que la señal que han detectado se deba a una fluctuación estadística. Para confirmar la existencia del famoso bosón se necesita mayor certeza: 5 sigma. Es probable que en el LHC casi se haya alcanzado esa cifra, probablemente entre 4,5 y 5, pero hasta mañana no conoceremos la respuesta.

“Si hay excesos de datos en una región de masa dada –consistente con la posible producción de un bosón de Higgs–, la estadística actual será insuficiente para concluir firmemente que este exceso se deba sin lugar a dudas a su existencia –reconoce Rodrigo–. Si esto ocurriera, necesitaremos muchos más datos para estudiar en detalle las propiedades de este exceso y poder afirmar sin ambigüedad la naturaleza de la observación, es decir, si es o no el bosón de Higgs predicho por el modelo estándar”.

“Esto lo podremos realizar en aproximaciones sucesivas, y sin duda el análisis de todos los datos que podamos recoger hasta el final de este año 2012 nos permitirá avanzar de forma muy significativa”, añade la investigadora.

En esta línea coincide García: “Para que un resultado, en particular el descubrimiento del bosón de Higgs, pueda confirmarse debe tener la suficiente significación estadística, que los físicos medimos en ‘desviaciones estándar’, la cual, a su vez, depende de la cantidad de datos acumulada: cuanto mayor sea este número (medido en una unidad llamada ‘femtobarn inverso’), mayor es la probabilidad de que una medida se considere un auténtico descubrimiento”.

A pesar del anuncio de mañana, la comunidad científica piensa que no será hasta finales de 2012 cuando la cantidad de datos total obtenida por los experimentos ATLAS y CMS del LHC permita confirmar o descartar definitivamente la existencia del bosón de Higgs.

“Su descubrimiento supondría una mejor comprensión del universo y ejercería de impulso para la investigación", concluye Carmen García. "Sería el comienzo de una nueva fase en la física de partículas”.