¡La partícula de Higgs por fin!El CERN anuncia el hallazgo de la más más buscada partícula elemental de las últimas décadas, el bosón de Higgs, que abre las puertas del mundo subatómico
“Hemos alcanzado un hito en nuestra comprensión de la naturaleza”. Así de claro lo ha dicho Rolf Heuer, director del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), junto a Ginebra. Y el hito es el bosón de Higgs, la partícula elemental que los científicos llevaban buscando décadas porque era la pieza que faltaba en la descripción científica de cómo son y cómo funcionan las partículas que forman toda la materia corriente, todo lo que vemos, es decir, el Modelo Estándar. El hallazgo se ha producido en el gran acelerador del CERN, el LHC, o más concretamente, en sus dos principales detectores, CMS y Atlas.
Los físicos han anunciado el hallazgo esta mañana en dos charlas técnicas rodeadas de enorme expectación y celebradas con aplausos, vítores y emoción en el auditorio del CERN. La presencia en la sala de Peter Higgs, el físico en cuyo honor se bautizó la partícula, ha conferido al acto un indudable elemento emotivo. “Estoy extraordinariamente impresionado por lo que ustedes han conseguido. Mis felicitaciones a todos los implicados en este increíble logro; es una felicidad haberlo vivido”, ha dicho el veterano físico teórico de 83 años.
Los científicos, con la debida precisión, han explicado que han encontrado una nueva partícula, un bosón, con masa en torno a 125-126 Gigaelectronvoltios (GeV) sin afirmar que se trate sin lugar a dudas del Higgs predicho en el Modelo Estándar. Heuer lo ha dicho más claro: “Como hombre de la calle diría que lo tenemos, el bosón de Higgs; como científico tengo que decir que tenemos un bosón y ahora veremos de qué bosón se trata”.
El Higgs es la partícula que completa el Modelo Estándar, la que faltaba. El Modelo Estándar describe, con tremenda precisión, las partículas elementales y las fuerzas de interacción entre ellas; es en la física fundamental algo así como la Tabla de los Elementos en la química. Pero tiene, o tenía, una ausencia importantísima al no poder explicar por qué tienen masa las partículas que la tienen. La respuesta se propuso hace medio siglo, de la mano del británico Higgs y otros especialistas, con un mecanismo que explicaría el origen de la masa de algunas partículas y que se manifestaría precisamente en una partícula nueva, el llamado bosón de Higgs.
“Sin masa, el universo sería un lugar muy diferente”, explican los científicos del CERN. “Por ejemplo, sin el electrón, no habría química, ni biología ni personas. Además, el Sol brilla gracias a una delicada interacción entre las fuerzas fundamentales de la naturaleza que no funcionaría en absoluto si algunas de esas partículas no tuvieran masa”.
“Si el Higgs no existiera, usted no existiría”
La expectación era inmensa esta mañana alimentada por los rumores sobre un posible descubrimientoque se habían difundido en las últimas semanas. Si decenas de instituciones de todo el mundo participantes en los experimentos del LHC estaban pendientes, vía Internet, de las presentaciones de resultados, en el propio CERN el auditorio estaba ya casi lleno una hora antes de comenzar la presentación de los resultados por parte de los portavoces de Atlas y CMS, ambos experimentos con nutrida participación de expertos de instituciones científicas españolas
Ha hablado primero Joe Incandela, portavoz de CMS, y se le notaba muy nervioso, con la respiración entrecortada durante los tres cuartos de hora en los que ha ido exponiendo los datos técnicos de los análisis. Su conclusión: han encontrado un bosón de masa 125,3 GeV (+/- 0,6 GeV) con una certeza de 4,9 sigma. Este es un indicador de la mínima probabilidad de error. Aunque los físicos consideran que han de tener 5 sigma para cantar victoria, todo el mundo en la sala ha entendido que ahí estaba el Higgs. Aplausos. Y 5 sigma, han explicado después los investigadores, significa que la probabilidad de error es de una de un millón.
A continuación ha intervenido la italiana Fabiola Gianotti en nombre del otro detector, Atlas, menos nerviosa que su colega pero igualmente emocionada. Ha ido desgranando los datos y, cuando le han avisado de que le quedaban solo siete minutos más de charla, ha afirmado: “Serán siete minutos flexibles, seguro que no me cortan las últimas transparencias”. Por supuesto que nadie la ha interrumpido. Su conclusión: Atlas tiene la señal del nuevo bosón con una masa de 126,5 GeV a 5 sigmas. Aplauso atronador y vítores. Los datos de los dos experimentos “son plenamente compatibles”, ha apuntado Gianotti.
Ha sido un momento histórico. “Estoy realmente encantado con lo que se ha presentado, tenemos un éxito, un descubrimiento”, ha dicho Heuer después. “Lo que este bosón nos dice es que existe un cierto campo a través del cual las partículas fundamentales, como los quarks, adquieren masa por la interacción de esas partículas con el campo. Pero además, este campo interacciona consigo mismo y produce el bosón de Higgs”. A la pregunta de qué significado tiene el hallazgo, el director del CERN ha sido contundente: “Si el Higgs no existiera, usted no existiría”.
Ese mecanismo de Higgs es algo tremendamente técnico, pero a lo largo de los años se han propuesto numerosos paralelismos para aclararlo. Una de las ideas más eficaces es la propuesta por el físico del CERN Gian Francesco Giudice en su libro A Zeptospace Universe: las partículas adquieren masa al interaccionar con el llamado campo de Higgs. Piense en agua en la que nadan delfines y se bañan hipopótamos, dice Giudice; para las partículas que no tienen masa, como el fotón, el agua es totalmente transparente, como si no existiera, mientras que las que tienen masa, pero poca, se deslizan fácilmente sin apenas interactuar con el líquido, como los delfines. Las partículas masivas, como si fueran hipopótamos, se mueven con dificultad en el agua. El campo de Higgs, el agua en el símil, se expresa en determinadas condiciones como una nueva partícula nueva, que es la que han encontrado ahora los físicos del LHC.
Para lograrlo, los científicos han tenido que analizar billones de colisiones de protones contra protones en el LHC, porque en esos choques a altísima energía, muy de vez en cuando, puede generarse un bosón de Higgs. Como es muy raro que se produzca, necesitan cantidades ingentes de choques para obtener la señal suficientemente clara de que está ahí, de que no es ruido del experimento ni producto de los artefactos estadísticos del mismo. En realidad, los físicos no ven el Higgs, porque se desintegra inmediatamente, sino los productos de esa desintegración, que son como su firma.
Incluso en momentos de emoción y alegría desbordada los científicos son científicos y tanto Incandela, como Gianotti, como Heuer han sido muy claros a la hora de valorar el hallazgo. Que hay una partícula nueva y que se trata de un bosón está claro, a la vista de los datos. Pero ahora hay que seguir investigando para conocer todas las características de esa nueva partícula y poder afirmar sin lugar a dudas que se trata efectivamente del bosón de Higgs predicho en el Modelo Estándar. Es como ver la cara de un amigo en medio de una multitud; sí, parece tu amigo, pero para estar seguro de que es él y no su hermano gemelo hay que tener más datos. Gianotti ha pedido un poco de paciencia. En los próximos meses, cuando se conozcan los detalles de la nueva partícula, se logrará la respuesta definitiva.
Lo que está claro, han reiterado unos y otros en el CERN, es que este descubrimiento no es una meta final, sino al contrario, el inicio de una nueva etapa de exploración del universo en sus componentes más elementales y las fuerzas que los rigen. Porque los físicos saben que el Modelo Estándar, que con tanto éxito y tanta precisión describe la materia corriente, no puede ser la respuesta final ni aún con el Higgs. Gran parte del cosmos está hecho de algo totalmente desconocido, como la materia oscura que los físicos del CERN también quieren explorar y a cuya búsqueda no le quitan el ojo ni aún en plena cacería del Higgs, han explicado Incandela y Gianotti. La renovada exploración del universo no ha hecho más que empezar.
Los portavoces de Atlas y CMS se han deshecho en elogios del óptimo rendimiento del LHC y de los dos gigantescos detectores, sin los cuales este descubrimiento habría sido imposible, y del equipo de miles de personas en cada uno que han volcado su talento, conocimiento y entusiasmo en la investigación y el análisis de los datos. También el avanzado sistema de computación distribuida GRID supone un ingrediente clave del trabajo.
Fuente: ALICIA RIVERA Madrid 4 JUL 2012
EL PAÍS.ES
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El bosón de Higgs para profanosLa 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.
Pablo García Abia
físico del Ciemat y miembro del experimento CMS
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. 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).
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 (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.
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
Fuente: EL PAÍS.ES
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