CERN encuentra el bosón de Higgs

celebración con un evento en CMS de fondo

Hace unas horas ha concluído un evento histórico. Los dos grandes experimentos del LHC, CMS y ATLAS, han presentado sus resultados basados en el último período de toma de datos. Ambos experimentos han observado una clara señal mostrando la existencia de una nueva partícula con una masa cerca de 126 GeV (unas 130 veces la masa de un protón), lo que parece ser el bosón de Higgs.
Primero habló Joe Incandela, vocero de CMS, quien mostró los diferentes canales (formas de decaimiento) estudiadas en CMS las que mostraron un exceso de eventos respecto a los esperados si no hubiese bosón de Higgs. La significancia de este exceso en casi todos los canales llega a (aunque en ciertos canales llega a ) lo que produjo la euforia de la audiencia en el auditorium del CERN: un largo aplauso celebraba la nueva partícula descubierta por CMS. Luego fue el turno de ATLAS, cuyos resultados fueron presentados por su vocera Fabiola Gianotti. Un poco más técnica (y usando Comic Sans), la segunda charla fue algo más lenta pero la espera valió la pena ya que ATLAS observó un exceso completamente consistente con CMS con una significancia de a lo que la audiencia nuevamente respondió con un tremendo y largo aplauso, celebrando la confirmación del descubrimiento de la nueva partícula. Tanto ATLAS como CMS han hecho públicas declaraciones oficiales (en muchos idiomas!) con más detalles.

Datos de ATLAS y CMS muestrando un «bulto» (bump) cerca de 126 GeV que dio a todos piel de gallina, ese exceso es lo que todos queríamos ver!

Quienes siguieron este evento en vivo pudieron presenciar lo eufóricos que estaban los científicos: la observación independiente en dos experimentos de la misma señal con una significancia tan robusta no es algo que se observa muy seguido. Además esta nueva partícula descubierta cumple con las condiciones para ser el tan anhelado bosón de Higgs. Sin embargo hay que notar que ninguno de los dos experimentos se proclamó descubridor del Higgs, sólo celebran el descubrimiento de una nueva partícula que se parece al Higgs ya que no sabemos con certeza que lo sea, determinar la identidad de esta nueva partícula tomará un poco más de tiempo. De todas formas nadie pone en duda que el Higgs ha sido finalmente encontrado. Este anuncio es un hecho histórico y fue demasiado emocionante seguirlo mientras ocurría. Recuerdo que el 4 de julio de 1997 seguí de cerca el descenso de la sonda Mars Pathfinder sobre Marte, nunca imaginé que exactamente 15 años más tarde estaría siguiendo el anuncio más importante de la física de partículas en décadas. Tanta es la emoción que hoy nadie se queja de que al bosón del Higgs le llamen partícula de dios.

Qué es el bosón de Higgs?

De la misma manera que los químicos usan la tabla periódica de los elementos con todas las propiedades para construir moléculas, los físicos tienen una tabla periódica de partículas elementales, y la teoría que las describe se llama Modelo Estándar. Este modelo es una construcción matemática que debe verificarse. El modelo predice que deben existir 16 partículas diferentes, las 16 han sido observadas en diferentes experimentos lo que convierte al modelo estándar en un logro teórico monumental que funciona muy bien describiendo la naturaleza. Sin embargo el modelo estándar predice algo que no se observa: nos dice que todas las partículas tienen masa cero (lo cual obviamente no es cierto). En los años 60 varios físicos encontraron una solución a este problema que permitía preservar todas las propiedades del modelo estándar. Ellos postularon que el universo debería estar permeado por una sustancia (campo de Higgs) que haría que las partículas adquieran masa y que si esta idea es correcta debería existir una nueva partícula. Esa partícula se llama bosón de Higgs.

Bosón de Higgs y campo de Higgs

A pesar de que suenan muy parecido, no son la misma cosa. En teoría, el campo de Higgs es una sustancia que llena cada rincón del universo, no podemos verla, sentirla, olerla, pero podemos medir su efecto: hace que las partículas tengan  masa (al igual que no podemos ver el viento pero sí medir sus efectos). Una buena analogía para el campo de Higgs es cuando estamos bajo el agua, la que permea todo a nuestro alrededor. Para comprender cómo las partículas tienen masa gracias al campo de Higgs es importante entender que la masa de una partícula es una medida de su inercia, o cuánto le cuesta moverse. De la misma manera que cuando estamos bajo el agua nos cuesta movernos, cuando las partículas se propagan en el campo de Higgs les cuesta moverse, el cuánto les cuesta es lo que llamamos la masa de la partícula.

Y entonces, qué es el bosón de Higgs? Si bien no podemos ver el campo de Higgs algo que podemos hacer es perturbarlo, tratar de hacerle algo para que manifieste su presencia. Así como no vemos el aire pero si aplaudimos cerca de una vela, ésta se apagará porque perturbamos el aire a su alrededor. Volviendo al ejemplo de estar bajo el agua, si aplaudimos fuertemente bajo el agua generaremos pequeñas corrientes que producirán efectos observables, como el movimiento de un alga cercana (o espantar a los peces). En esta analología, el agua es el campo de Higgs, el aplauso es la colisión de un par de partículas (dos protones en el caso del LHC) y la corriente o perturbación (los físicos le llaman excitación) del agua es el bosón de Higgs. En otras palabras, el campo de Higgs permea el universo haciendo que a las partículas les cueste moverse (esto significa que tengan masa), y una excitación de este campo es el bosón de Higgs. Generar corrientes con aplausos bajo el agua no es tarea fácil, el mismo problema enfrentan los físicos usando un generador de aplausos bastante grande y costoso (el LHC).

Ahora, cuáles serían los efectos observables si se crea un Higgs? Al ser una partícula pesada (cientos de veces la masa de un protón), el Higgs es inestable y decae rápidamente en otras partículas, esas son las partículas que hay que buscar. Estos restos del Higgs serían el espantar los peces en la analogía. El LHC es una máquina que genera fuertes aplausos (colisiones de partículas) bajo el agua (en el campo de Higgs) y los detectores como ATLAS y CMS buscan ver si los peces son ahuyentados (los efectos de las excitaciones del campo de Higgs).

Peter Higgs entrando a un salón lleno de periodistas que bloquean su paso (ilustración: Le Temps)

¿Cómo el campo de Higgs le da masa a las partículas?

Como señalaba antes, la masa de una partícula de una medida de cuánto le cuesta moverse y es campo de Higgs hace que ciertas partículas se muevan más lentas que otras. Por ejemplo, imaginemos un salón lleno de periodistas uniformemente distribuidos representando el campo de Higgs. De pronto uno de los meseros (un perfecto desconocido) entra en el salón. A ningún periodista le llama la atención y el mesero podrá moverse de un lado del salón al otro sin mucho problema, los periodistas apenas bloquean su paso. La interacción del mesero con los periodistas (el campo de Higgs) es pequeña y por eso puede moverme fácilmente. En este ejemplo el mesero representaría una partícula con poca masa, es decir, que apenas interactúa con el campo de Higgs. Por el contrario si imaginamos a un personaje famoso, como Peter Higgs en estos días, veremos (y justamente vimos hoy) que los periodistas se abalanzarán sobre él para hablarle, tomarle fotos, etc. A Peter Higgs le costará bastante moverse a lo largo del salón, irá muy lentamente de un lado para otro debido a su interacción con los periodistas que no lo dejan avanzar. En este caso, Peter Higgs representa a una partícula con mucha masa, es decir, una partícula que interactúa mucho con el campo de Higgs (los periodistas) y por lo tanto le cuesta más moverse.
Notar el detalle importante y sutil de que es el campo de Higgs el que da masa a las otras partículas, no el bosón de Higgs. Este último es sólo una consequencia de que el campo de Higgs exista.

El anuncio de hoy

El ambiente estaba bastante preparado para un anuncio importante, los rumores y muchos otros factores hacían de este seminario algo especial, sin embargo también estaba la posibilidad de que todo fuera una cortina de humo. Ante las críticas por el «no anuncio» en diciembre y el drama que fueron los neutrinos superlumínicos, CERN no podía darse el lujo de jugar así con los medios. Afortunadamente todo salió bien y el gran anuncio fue hecho. Se descubrió una partícula nueva que cumple con los requisitos para ser el bosón de Higgs. No sólo fue observada con una significancia que permite hablar de descubrimiento sino que también fue verificado independientemente por dos experimentos. Dada la importancia de esta búsqueda una de las cosas muy claras al diseñar el LHC era que dos experimentos independientes con diferentes tecnologías debían construirse, esta sana competencia serviría como una buena manera de chequear resultados.

Higgs o no Higgs

Aunque ya en todo el mundo se celebra el descubrimiento del bosón de Higgs, los científicos son muy cautelosos de hablar sólo de un nuevo bosón, pero no le ponen un nombre. El motivo es que con la información disponible en este momento no se puede afirmar con certeza que se trate de Higgs. Además hay teorías alternativas al modelo estándar que también contienen partículas similares al Higgs por lo que los científicos prefieren esperar a confirmar las propiedades de la nueva partícula. Sabemos que es un bosón (tiene espín cero) por las partículas en las que decae, pero podría existir un bosón inesperado que decae de la misma forma, por ello los físicos prefieren ser conservadores y no llamarlo Higgs todavía, aunque nuevamente… casi no hay duda de que el Higgs ha sido encontrado.

El modelo estándar como una catedral de legos

Como Fabiola Gianotti dijo al final de su presentación: «esto es sólo el principio». Por un lado hay que identificar completamente a este nuevo bosón, una de las tareas más importantes que tomará varios meses. Después es necesario medir con detalle sus propiedades ya que de confirmarse que es el goddamn Higgs querremos saber todo acerca de él! Además esto completaría el modelo estándar, el que siempre he visualizado como una catedral construída con legos. El modelo estándar es la construcción matemática que ha guiado a los físicos de partículas en los últimos 30 años. Algunas piezas (partículas elementales) ya se conocían entonces, pero muchas otras eran sólo una idea basada completamente en la bella estructura matemática y poder predictivo del modelo estándar. Los físicos teóricos han sido los encargados de escribir las instrucciones de cómo armar las piezas mientras que los experimentales buscan las piezas faltantes así como también ponen a prueba las instrucciones inventadas por los teóricos. Con los años se verificó la existencia de cada una de las 12 partículas que forman la materia (seis quarks y seis leptones), los descubrimientos más recientes fueron el top quark en 1995 y luego en 2000 fue descubierto el neutrino tau. Así cada nueva pieza de este lego permitió verificar los detalles de esta catedral que es el modelo estándar. Hasta hoy, faltaba la última pieza y hace décadas que se busca en el fondo de la bolsa para ver si el fabricante (la naturaleza) incluía esta pieza o no. De no encontrarla sería necesario cuestionarse si la catedral que hemos armado es la estructura apropiada o si con las mismas piezas puede armarse algo diferente. Hoy ATLAS y CMS nos han confirmado que hay otra pieza, una nueva pieza, lo que falta por comprobar es que esa pieza calza en el espacio que falta por completar de nuestra catedral. Podría ocurrir que esta sea una pieza de un set diferente y por lo tanto tendremos que replantearnos el set instrucciones que ha sido desarrollado en estas décadas.

Francois Englert y Petter Higgs, los favoritos a quedarse con el Nobel.

¿Y qué pasa si se verifica que este nuevo bosón es el Higgs?

Primero celebraremos nuevamente (hoy ya es día de fiesta para la comunidad científica) y tendremos la confirmación de que nuestra catedral (el modelo estándar) está bien armada. Es importante destacar que si bien el modelo estándar está a un paso de verificarse completamente, no es una teoría final ya que no es capaz de explicar por ejemplo la gravedad (y muchas otras cosas). El modelo estándar sólo describe tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Además el Higgs no explica la materia oscura ni el origen del universo (como ya he leído por ahí), el descubrimiento del Higgs nos muestra que nuestra hermosa catedral describe apropiadamente a las partículas, pero no resuelve muchos de los misterios que los científicos tratan de aclarar. Es es un paso muy importante, pero no le demos al Higgs propiedades mágicas que resolverán todos los misterios, la naturaleza no es tan simple.

Al final del seminario pudo verse a un emocionado Peter Higgs junto a sus compañeros François Englert, Gerald Guralnik y Carl Hagen (algunas de las mentes detrás de la teoría hoy aparentemente verificada), quien agradeció a los científicos del LHC por darle la oportunidad de vivir este día. No me canso de decirlo, jornada histórica y de gran significado para quienes estamos en el mundo de la física de partículas. Aunque siempre declaré que no esperaba un descubrimiento como este ni tan pronto, fue imposible no sentir la emoción con este logro colosal de los experimentales de CMS y ATLAS. Un evento espectacular, esta fecha quedará marcada en los libros de historia.

Actualización (8 Oct 2013): François Englert y Peter Higgs galardonados con el Premio Nobel de Física 2013.

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