El Boson de higgs - La partícula de dios

El bosón de Higgs - La Particula de Dios

Si quieres leer sobre la confirmación de la existencia del Higgs y Los neutrinos superlumínicos que viajan en el tiempo, puedes hacerlo , pero la verdad es que yo leería este artículo antes de seguir con aquél, aunque sea menos noticioso.

A estas alturas lo sabe hasta el perro de mi vecino: se ha confirmado la existencia del bosón de Higgs . El lenguaje de los científicos involucrados es cautelosísimo, pero la cosa tiene muy buena pinta, casi un 99% de certeza. Como digo, esto no es ya noticia para casi nadie, y no lo escribo como tal ni mucho menos pero es mejor que nada.
En primer lugar, para no decir de manera algo repetitiva iremos directo al tema de la manera mas simplificada posible. Pido disculpas a los físicos que pasen por este post.
En este post trataremos sobre la última partícula interesante del Modelo Estándar , la que nunca habia sido detectada, de la que a veces se llama Partícula de Dios, el bosón de Higg s.

¿Qué es el bosón de Higgs?


El Universo según Higgs.No, en serio. Sigue leyendo.


Si bien existen multitud de partículas subatómicas, desde las más cotidianas, como el electrón , hasta las más extrañas como los hiperones . Desde el momento en el que los físicos empezaron a darse cuenta de la gran cantidad de partículas que había, trataron de explicar por qué existen ésas y no otras, a qué se deben las características que tienen, qué simetrías existen (como el hecho de que el electrón tenga carga negativa y el positrón positiva), etc.

Entre 1970 y 1973 se desarrolló lo que denominamos Modelo Estándar de física de partículas. Muchos físicos participaron en el desarrollo, basándose además en numerosas teorías anteriores. El Modelo Estándar es una teoría cuántica de campos, que combina la mecánica cuántica con la teoría especial de la relatividad. Es una teoría compleja, pero que establece una serie de ecuaciones matemáticas que predicen la existencia de un gran número de partículas subatómicas con distintas características y las interacciones entre ellas: analizando las ecuaciones puede concluirse qué partículas existen y cuáles no, y cómo son las que existen.


Modelo estándar de física de partículas

Todas las partículas que se han descrito hasta hoy son consecuencias inevitables de esta teoría, de ahí que se diga que son partículas “del Modelo Estándar”, el cual predice la existencia y propiedades de las interacciones fundamentales correspondientes – la eléctromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. Es decir, es un modelo muy completo y que describe muy bien el Universo que vemos.
Desde luego, sabemos perfectamente que el Modelo Estándar no es la “teoría final”, que el Modelo Estándar no incluye la gravedad o Gravitón . Además, aunque no está claro dónde están los límites, parece probable que para energías muy grandes (mucho mayores que las que experimentamos en la vida cotidiana) el Modelo Estándar no es válido. Sin embargo, estas limitaciones son conocidas desde el principio, y el Modelo Estándar es, conscientemente, una teoría parcial.

Sin embargo, antes incluso de que existiera el modelo formalmente, ya se vio un problema teórico bastante irritante. La forma más sencilla del Modelo Estándar que podía proponerse, la que tenía el menor número de suposiciones posibles y la mayor sencillez matemática, era de una gran belleza y coherencia, salvo por un pequeño problema: según la forma sencilla del modelo, todas las partículas deberían tener masa nula y moverse, siempre, a la velocidad de la luz.

Por supuesto, nadie supuso que la “forma simple” del Modelo fuera la correcta. Es evidente que hay muchas partículas que sí tienen masa, y que nunca se mueven a la velocidad de la luz. De hecho, sólo algunas no tienen masa, y son justo ésas las que sí se mueven siempre a la velocidad de la luz. La pregunta inmediata que se hicieron los científicos, naturalmente, fue ¿por qué? Si la versión simple del modelo no funcionaba, es que faltaba algo más: una extensión al modelo, algún tipo de mecanismo por el que pudiera deducirse la existencia de la masa.

La respuesta a este problema fue dada por varios físicos casi al mismo tiempo, en varios equipos y de manera independiente, en 1964. Entre ellos se encuentran Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen, Tom Kibble y Peter Higgs. Sin embargo, en 1971 Gerardus ‘t Hooft denominó al proceso por el que se deduce la existencia de la masa mecanismo de Higgs, y así seguimos llamándolo. No olvidemos, por otro lado, que hubo muchos otros físicos involucrados en el proceso y no es justo olvidarlos, aunque Higgs fuera un paso más allá que los demás (en breve veremos cómo) y por eso su nombre sea el que ha perdurado.


Peter Higgs

La idea de Higgs y los otros físicos que resolvieron el problema de forma similar fue la siguiente (planteada, por supuesto, sin utilizar fórmulas y de forma simple): supongamos que existe un campo nuevo, como el eléctrico o el magnético pero de una naturaleza diferente, que llena el Universo completo. Da igual que haya cargas, masas o que no las haya — el vacío absoluto no sería realmente vacío, pues este campo hipotético (que llamamos hoy campo de Higgs) estaría en todas partes.

El espacio del Universo, según las ecuaciones establecidas por Higgs, es algo así como un campo de hierba alta. Esta “hierba alta” existe en todos y cada uno de sus puntos, y es la “representación mental” del campo de Higgs. Todas las hojas de hierba están dirigidas en la misma dirección, sólo que esta “dirección” no es realmente una dirección en el espacio, sino una dirección conceptual. Digamos, para seguir con nuestra analogía, que la dirección en la que crece esta hierba es “hacia arriba”.

De acuerdo con la mecánica cuántica, no existe distinción entre ondas y partículas: toda onda es partícula y toda partícula es onda . La cuestión es que cada una de las ondas asociadas a las partículas oscilan en una dirección determinada. Una vez más, esta “dirección” no es una dirección física en el espacio tridimensional que vemos, es una “dirección” en ese espacio conceptual que hemos definido antes. Distintos tipos de partículas tienen ondas que oscilan en diferentes direcciones en este espacio imaginario.

Y aquí llega la clave de la cuestión — si la entiendes, comprendes la enorme importancia de este campo de Higgs (si existe, claro): Las partículas cuyas ondas asociadas oscilan en la misma dirección que las “hojas de hierba” pasan a través de la hierba sin notarla en absoluto. Esas partículas se mueven a la máxima velocidad posible: la velocidad de la luz. De acuerdo con la teoría de Higgs, nosotros llamamos a esas partículas “partículas sin masa”. Dicho en términos algo más técnicos, esas partículas no interaccionan con el campo de Higgs, de modo que no lo notan. Es decir, el fotón (por ejemplo) oscila “hacia arriba”, la dirección de la hierba, de modo que se mueve a la velocidad de la luz y no tiene masa.

Otras partículas tienen ondas que oscilan casi en la dirección de la hierba, pero cuando se mueven tienen que apartar algunas de las hojas de hierba (aunque no muchas) al estar ligeramente inclinadas. Al hacerlo, reducen su velocidad: les cuesta más moverse a través del “campo de hierba” que a las partículas anteriores, aunque no mucho más. Estas partículas son las que, en nuestro lenguaje, “tienen poca masa”. Observa cómo, en términos del campo de Higgs, estas partículas tienen masa como consecuencia de interaccionar con el campo de Higgs. Como consecuencia adicional, no pueden moverse a la velocidad de la luz: la hierba se lo impide.

Finalmente, una partícula con mucha masa tiene una onda que oscila en una dirección casi perpendicular a la de las hojas de hierba: al moverse por el espacio, debe apartar casi todas las hojas de la hierba, de modo que (vista “desde fuera”) es una partícula con mucha masa. Lo crucial del asunto es que la “masa” de todas las partículas conocidas es el nombre que damos a la intensidad de su interacción con el campo de Higgs. El propio concepto de “masa” es una forma de referirnos a algo más profundo y fundamental: la interacción mayor o menor de cada partícula con el campo de Higgs.

En su momento la teoría fue rechazada por no poder ser comprobada o rechazada. Decir que existe un campo misterioso del que se deduce la masa de forma natural está muy bien, pero es simplemente otra manera de llamar a la masa. ¿Cómo saber si este campo existe realmente o no?
Desde entonces, comprobar que el bosón de Higgs realmente existe ha sido una obsesión de los físicos de partículas.

La mayor esperanza de los defensores del Modelo Estándar y el bosón de Higgs se encuentra en el potentísimo LHC, el acelerador de partículas del CERN.


El detector Atlas, uno de los dos grandes experimentos del acelerador de partículas LHC


El LHC mide 27 kilómetros de circunferencia y está instalado en un túnel bajo la frontera franco-suiza

El LHC puede acelerar partículas a velocidades tan gigantescas que puedan producir bosones de Higgs, por ejemplo, al chocar un quark top con uno antitop, ambos producidos por la desintegración de gluones:


Diagrama de Feynman de la posible producción de un bosón de Higgs.

Parte del problema es que si el LHC pueda conseguirlo es que no es posible detectarlos directamente: entre otras cosas, se estima que tienen una vida media de unos 0,0000000000000000000001 segundos; pero sí es posible detectar las partículas en las que se desintegran.


Todas las partículas del Modelo Estándar


¿Qué experimentos se han realizado para detectarlo?
El bosón de Higgs es una partícula extraordinariamente inestable: no existe durante más que una infinitésima de segundo. Por lo tanto, no podemos observarlo directamente. Observamos más bien otras cosas que suceden cuando un bosón se desintegra. La situación es parecida a la siguiente (y, lo reconozco, estúpida) analogía: imagina que en un bosque creemos que puede haber un oso, pero es un oso invisible. No podemos verlo jamás, pero tal vez podemos detectar sus rastros, excrementos, etc. Sólo que los “excrementos” de una partícula elemental son bastante más sutiles que los de un oso.

De acuerdo con el Modelo Estándar, el bosón de Higgs puede desintegrarse en varios grupos diferentes de partículas elementales (y algunas de ésas son también inestables y se desintegran en otras, etc.). Por ejemplo, puede desintegrarse para dejar dos fotones de muchísima energía, o en dos bosones Z, o en dos bosones W.


Experimentos con emisión de dos fotones: la diferencia entre la línea roja sólida y la punteada indica la masa más probable del bosón detectado

De modo que en los últimos años los científicos del CERN han estado realizando multitud de experimentos haciendo impactar partículas subatómicas a velocidades tremendas, esperando que en algunas de esas colisiones se produjera, durante una fracción de segundo, un bosón de Higgs. Mientras hacían colisionar esas partículas, sus detectores estaban ojo avizor para observar las partículas secundarias resultantes de la desintegración del bosón: dependiendo de qué partículas y con qué características –naturaleza, velocidad, etc.– es posible predecir la masa de la partícula que, al desintegrarse, les dio lugar.

El problema está en que, a diferencia de los excrementos y el oso, las partículas detectadas pueden deberse a multitud de causas, no sólo al bosón, y los detectores no siempre ven todo lo que deben ver. Por eso se realizan tantísimas pruebas: para descartar “ruido” debido a razones diversas y tener así una muestra estadística suficientemente grande como para estar seguros de que no estamos hablando de una casualidad.

¿Cuál ha sido el resultado? ¿Qué quiere decir eso de cinco sigma?
El resultado ha sido la detección de un bosón con una masa de unos 125 GeV/c2 (unos 7·10-17 kg) y una certeza estadística de cinco desviaciones típicas (5 σ, por la letra griega que representa la desviación típica). Dicho en castellano, hemos detectado con casi total probabilidad un bosón gigantesco y nunca visto hasta ahora –de unas ciento treinta veces la masa del protón y con una probabilidad de error de una entre tres millones–.

Esta es la conclusión derivada de los experimentos de detección de distintas partículas, como he descrito arriba; cada uno de los experimentos individuales tiene resultados y probabilidades diferentes, pero varios de ellos muestran la presencia de un bosón muy masivo y la masa de ese bosón es prácticamente la misma en cada experimento independiente. La probabilidad de que experimentos tan distintos coincidan tantísimo en su resultado como fruto de la casualidad es minúscula.

Esta es la conclusión derivada de los experimentos de detección de distintas partículas, como he descrito arriba; cada uno de los experimentos individuales tiene resultados y probabilidades diferentes, pero varios de ellos muestran la presencia de un bosón muy masivo y la masa de ese bosón es prácticamente la misma en cada experimento independiente. La probabilidad de que experimentos tan distintos coincidan tantísimo en su resultado como fruto de la casualidad es minúscula.

Lo de las cinco sigmas tiene que ver con la desviación típica , que a su vez tiene que ver con la distribución normal y la estadística. Es algo que aparece aquí por el gran número de experimentos realizados y la naturaleza estadística del asunto, y es algo habitual en experimentos de este tipo.


Probabilidad de presencia de un bosón de 125 GeV/c2. Cada color excepto el negro representa el resultado de los experimentos con un par diferente de partículas de desintegración. Cuanto más hundida la gráfica, mayor probabilidad. La gráfica negra es la combinación de todas las demás ( CMS/CERN ).

En cualquier caso, sin preocuparnos de las matemáticas, permite que lo traduzca sin la cautela de los científicos involucrados: hemos “visto” (hasta donde puede ser visto) un bosón de masa 125 GeV/c2. Además, hace falta tener en cuenta dos cosas:

Esa masa es compatible con las predicciones teóricas del bosón de Higgs del Modelo Estándar.

No tenemos ninguna otra explicación más razonable de la presencia de este bosón nuevo tan gigantesco en los experimentos que la existencia bosón de Higgs.

Más claro, agua.

¿Por qué es esto tan importante? ¿No confirma algo que ya pensábamos?

Sí, pero insisto: ésta es parte de la grandeza de la ciencia. No decimos cosas a la ligera, y llevábamos muchos años esperando algo como esto. Tan importante es el establecimiento de una hipótesis como la realización de experimentos que la descarten o refuercen.

El Modelo Estándar predice tan, tan bien tantísimas de las cosas que vemos que resultaba enormemente frustrante no haber detectado todas las partículas que predecía. Llevamos décadas hablando de él con la coletilla de “… bueno, todas excepto el bosón de Higgs, claro”, sin los aceleradores necesarios para llegar hasta donde necesitábamos para poder confirmar o descartar su existencia y, con ella, el Modelo y sus diversas variantes.

La importancia es, por tanto, que se ha confirmado el Modelo Estándar, el aparato teórico más complejo y más profundo creado por la mente humana. No, esto no tiene aplicaciones prácticas inmediatas. No, esto no va a cambiar nuestra física, sino que va a confirmar la que llevamos décadas postulando como hipótesis –hasta donde puede ser confirmada, probablemente, bla bla blah–. Sin embargo, da una solidez a nuestro conocimiento que no teníamos antes.

Además, la cosa no acaba aquí ni se acaba el interés con este descubrimiento: hay varios posibles Higgs predichos por nuestra física, y hay varios modelos además del Estándar que predicen un bosón de Higgs. Pero nos hemos quitado de un plumazo un buen puñado de otros modelos que no lo predecían, y ahora podemos enfocar nuestra atención en lo que sí es compatible con estos experimentos y con la existencia del elusivo bosón.

Y, aunque no se tratase del bosón de Higgs, seguiría siendo un bosón nuevo y jamás visto hasta ahora. De modo que la importancia, independientemente de más confirmaciones de su naturaleza, es tremenda.

¿Qué va a pasar ahora entonces?

Si te fijas, siempre he estado hablando de la masa del bosón detectado indirectamente… porque es básicamente lo único que conocemos de él, aparte del hecho de que es un bosón. El bosón de Higgs tiene más características predichas aparte de su masa y carácter bosónico, de modo que tenemos que realizar otros experimentos que comprueben otras características y ver si coinciden con lo que debería ser, y si es compatible con el Modelo Estándar a secas o con alguna de sus posibles ampliaciones.

En otro orden de cosas, los designios de la Academia son inescrutables, pero si en breve no hay un Nobel conjunto y Peter Higgs no forma parte de él, me como el sombrero. Y luego me compro otro sombrero y me lo como de postre. Cuando he visto a Higgs en la televisión con lágrimas cayendo por las mejillas se me han empezado a saltar a mí también, ¡me hago viejo!


Un libro de divulgación sobre el Higgs que se tenía que haber llamado “La maldita partícula” (the goddamn particle) se ve que no le gustaba al editor y decidió cambiarlo por “la partícula de dios” (the god particle).

En mi opinión, en cualquier caso, lo más relevante no es tanto un descubrimiento que casi todos considerábamos muy probable y para el que sólo hacía falta tiempo. Es el propio proceso: la elaboración de hipótesis, la discusión entre todos, la predicción, el diseño de experimentos que descarten o no… el desentrañamiento, lento, laborioso pero divertidísimo, de los secretos del Universo. Mi humildísima enhorabuena al señor Peter Higgs y a todos los involucrados. Me enorgullece pertenecer a la misma especie que ustedes, señores.





Peter Higgs habla sobre el descubrimiento del Bosón de Higgs (subtitulado)



La búsqueda del bosón de Higgs - Documental de la "BBC Horizon"


MUCHAS GRACIAS!