Amazings Bilbao “La búsqueda del bosón de Higgs” (tercera versión):
Muchos dicen que el siglo XXI será el siglo de la nanotecnología. La nanociencia es la ciencia de las cosas que tienen un tamaño inferior a 100 nanómetros. El tamaño de unos cientos de átomos (el radio de un átomo es del orden de una décima de nanómetro). Los átomos están hechos de electrones y quarks. La ciencia que estudia estas partículas es la zeptociencia, la nano-nanociencia. Hoy sabemos que los electrones y los quarks tienen un tamaño inferior a 100 zeptómetros (10 elevado a menos 19 metros). Para explorar distancias tan pequeñas se requieren los “microscopios” más poderosos del mundo, los grandes aceleradores de partículas. El LHC del CERN (el gran colisionador de hadrones situado cerca de Ginebra) es una máquina diseñada para explorar la zeptociencia. Quizás no lo sepáis, pero el LHC ha logrado este año reducir el tamaño máximo de un quark en un factor de tres.
Las partículas conocidas de mayor masa no pueden ser observadas en los rayos cósmicos porque son inestables y se desintegran tan rápido que es imposible que acaben llegando a la Tierra. Por ejemplo, el quark top, el quark más pesado que fue descubierto en 1995 en el Tevatrón del Fermilab (el acelerador de partículas situado a las afueras de Chicago que finalizará sus días la semana que viene, el próximo viernes 30 de septiembre, tras 25 años siendo el “microscopio” más poderoso del mundo). La vida media de un quark top es de medio yoctosegundo, media billonésima de billonésima de segundo.
Quizás os mareen estos prefijos, pero os recuerdo que después del prefijo nano-, vienen pico-, femto-, atto-, zepto- y yocto- (cada uno es 1000 veces más pequeño que el anterior). La física del quark top es la física de los zeptómetros y de los yoctosegundos.
El bosón de Higgs es una partícula predicha por el modelo estándar, las leyes físicas que describen el comportamiento de todas las partículas. Igual que el quark top, el bosón de Higgs es una partícula con mucha masa y muy inestable. Se estima que su vida media es inferior al yoctosegundo, la billonésima de billonésima de segundo. Este verano pasado (a finales de agosto) se publicaron los últimos resultados sobre la búsqueda del Higgs que indican que su masa es mayor de 114,4 GeV e inferior a 145 GeV (la masa de un protón es un poco inferior a 1 GeV). Por ahora, ni el Tevatrón ni el LHC tienen sensibilidad suficiente para explorar este rango de masas, pero dentro de unos meses la tendrán. Dentro de unos meses, el LHC podra encontrar y encontrará el bosón de Higgs. La gran noticia de la física de partículas durante 2012 será el descubrimiento del Higgs.
Los físicos sabemos lo que es un átomo de hidrógeno, un electrón ligado a un protón por un campo electromagnético, o lo que es un protón, tres quarks ligados entre sí por un campo cromático debido a la interacción fuerte, es decir, gracias a unas partículas llamadas gluones que actúan como un pegamento que aglutina a los quarks en una especie de bolsa de la que no pueden salir, el protón. Sin embargo, ningún físico del mundo sabe lo que es un electrón o un quark. Todo lo que sabemos es que son partículas elementales (no parece que estén compuestas por nada más pequeño) que tienen ciertas propiedades físicas bien conocidas.
El electrón es más ligero que los quarks. Su masa en reposo es 1836 veces más pequeña que la masa de un protón. Sin embargo, no conocemos la masa en reposo de los quarks. Hay muchas cosas que los físicos no sabemos de las partículas y una de ellas es que no sabemos la masa tienen los quarks. Los experimentos en los que un electrón de alta energía colisiona con un protón indican que el quark arriba tiene una masa entre 3 y 8 veces la masa de un electrón, y que el quark abajo tiene una masa entre 8 y 16 veces la masa de un electrón. Pero el valor exacto aún es desconocido. La razón es que no podemos separar un quark de un protón y pesarlo, los quarks están confinados en el interior del protón.
Mucha gente dice que descubrir el bosón de Higgs permitirá explicar el origen de la masa. Lo siento, pero no es verdad. El peso de los átomos de vuestros cuerpos es debido a la masa de los protones y de los neutrones, ya que los electrones son muy ligeros, y resulta que la masa de los quarks solo da cuenta de menos del 2% de la masa de un protón. El resto de la masa del protón es energía, pura energía, la energía del campo de gluones que une los quarks entre sí. El 98% de la masa de las cosas que os rodean es pura energía. El bosón de Higgs solo da cuenta de la masa de las partículas elementales, como los electrones y los quarks.
¿Por qué es muy difícil descubrir el bosón de Higgs? Cuando yo estudiaba física, hace 20 años (acabé la carrera en 1992), la búsqueda del bosón de Higgs era casi una utopía. Aún no se había descubierto el quark top, cuya masa se suponía que estaba entre 90 veces y 200 veces la masa del protón; por lo que el Higgs podía tener una masa entre 50 veces y 1000 veces la masa del protón. Ningún colisionador de partículas tenía sensibilidad suficiente para explorar todo el rango de masas para el bosón de Higgs en 1992.
Cuando el quark top se observó en 1995 en el Tevatrón resultó que su masa era enorme, unas 185 veces la masa del protón. Más aún, su masa era predecible suponiendo que su acomplamiento con el bosón de Higgs era exactamente igual a uno. Toda una sorpresa inesperada. Hoy sabemos que lo es con un error menor del 1%. Podría ser una casualidad, pero el quark top tiene la masa que tiene que tener si es la partícula elemental más pesada que existe que sufre la interacción electrodébil.
El descubrimiento del quark top hizo creer a los físicos que el bosón de Higgs existía y podía ser encontrado en el LEP, el colisionador de electrones y sus antipartículas, los positrones, situado en el anillo que ahora ocupa el LHC, en el CERN. LEP era una fábrica de unas partículas neutras llamadas bosones Z, que se podían desintegrar en un bosón de Higgs (y un Z virtual). LEP buscó al Higgs, pero no lo encontró. En noviembre del año 2000, LEP fue clausurado para dar paso a la construcción del LHC.
En el año 2001 el único colisionador capaz de continuar la búsqueda del bosón de Higgs era el Tevatrón, pero en este colisionador observar el Higgs es muy difícil. El mejor modo es mediante su desintegración en dos bosones W. En el año 2000 el Tevatrón nunca había observado una colisión que produjera dos bosones W. Hubo que esperar al año 2005. Había que estudiar bien estas colisiones antes de buscar el Higgs. La búsqueda se inició en el Tevatrón en el año 2007, pero los primeros resultados interesantes son de marzo del año 2009, el bosón de Higgs no tenía una masa de 170 GeV, el doble de la masa del bosón W. En la era de internet las noticias corren tan rápido que nos parece que el Tevatrón lleva publicando datos sobre el Higgs desde hace una eternidad, pero solo hace dos años y medio que se publicaron los primeros resultados.
La gran revolución en la búsqueda del bosón de Higgs ha sido el inicio de las colisiones del LHC en noviembre de 2009. Tras un año 2010 espectacular, este año, 2011, está siendo casi milagroso. El LHC explorará antes de final de este año todos los lugares donde se puede esconder el bosón de Higgs y los primeros indicios de su existencia aparecerán en diciembre. El descubrimiento definitivo del Higgs será la noticia estrella del próximo verano. En julio o quizás en agosto de 2012 la búsqueda del bosón de Higgs habrá finalizado y la última pieza del puzzle del modelo estándar será colocada en su lugar.
Gracias.
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