A casi 50 años de que Peter Higgs y François Englert propusieran un mecanismo teórico que dota de masa a las partículas elementales, la Real Academia Sueca de Ciencias determinó honrar a estos científicos con el premio Nobel de Física 2013.

Higgs y Englert, de nacionalidad inglesa y belga, respectivamente, vieron con sus propios ojos el tan esperado descubrimiento del bosón de Higgs por las Colaboraciones Atlas y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones, el 4 de julio del año pasado. Desafortunadamente, Robert Brout, quien colaboró con Englert para formular el llamado mecanismo de Brout-Englert-Higgs, murió en el 2011.

El campo de Higgs.

Cuando Brout, Englert y Higgs formularon sus teorías en 1964, varios físicos estaban en la búsqueda de una teoría que unificara las fuerzas electromagnética y débil, esta última responsable de algunos decaimientos radioactivos. Además, existía una reciente propuesta teórica que introducía a los quarks como constituyentes comunes del “zoológico” de partículas conocido como hadrones (por ejemplo, el protón), y que poco después llevaría a formular la teoría que describe a las interacciones fuertes, responsable, por ejemplo, de mantener unidos a los protones en el núcleo de un átomo.

El marco teórico que contenía a estas ideas era la llamada teoría de campos cuánticos1, y una clase de transformaciones introducidas en 1954 por C. N. Yang y Robert Mills que dejaban a la teoría de campos invariante. En términos simples, esto equivalía a tener una teoría basada en simetrías, que contenía a las partículas subatómicas conocidas, y mediaba sus interacciones con bosones sin masa. Sin embargo, era bien sabido que el mensajero de las interacciones débiles debía tener masa (a diferencia del fotón, portador de las interacciones electromagnéticas, que tiene masa cero).

Una aparente solución al problema vino de otra área de la física que estudiaba el fenómeno de la superconductividad en términos de campos cuánticos. Yoichiro Nambu señaló en 1960 que el mismo mecanismo para explicar las transiciones superconductoras podría generar bosones mensajeros con masa, siempre y cuando se introdujera un nuevo campo escalar (sin espín). Sin embargo, Jeffery Goldstone demostró en 1961 que este mecanismo sólo daba lugar a campos escalares no-masivos, los cuales no se observan en la naturaleza.

Un año después Philip Anderson encontró en un modelo “sencillo” que los campos de Goldstone, de hecho, pueden ser absorbidos por otros campos, dotándolos efectivamente de masa. Estas observaciones fueron clave para que en 1964 Brout y Englert, y casi simultáneamente Higgs2, propusieran en un escenario más realista la existencia de un campo escalar complejo, eventualmente llamado campo de Higgs. Sólo unos meses después, Gerald Guralnik, Carl Hagen, y Tom Kibble publicaron la formalización de estas ideas.

En los 10 años posteriores, varios físicos incorporaron estos resultados a las teorías electromagnética, débil y fuerte, para crear el Modelo Estándar de la Física de Partículas.

El mecanismo de Brout-Englert-Higgs es la forma más sencilla de dotar de masa a los bosones W+, W- y Z0 (rojos en la Fig. 2), portadores de la interacción débil, y dejar sin masa al fotón. A su vez, el campo de Higgs, que permea a todo el espacio, puede interactuar con otras partículas llamadas quarks y leptones (morados y verdes en la Fig. 2, llamados también fermiones), que por consecuencia adquieren inercia o masa. Dicho de otro modo, las partículas elementales no tienen masa (tal como se piensa ocurrió hasta una billonésima de segundo después del Big-Bang), hasta que interactúan con el campo de Higgs. Existen propuestas alternativas, distintas al Modelo Estándar, en las que, por ejemplo, el campo de Higgs no interactúa con fermiones.

Si bien el campo de Higgs está íntimamente relacionado con la explicación del origen de la masa, el mismo mecanismo de Brout-Englert-Higgs es incapaz de darnos un valor de la masa del bosón de Higgs. La comprobación de esta teoría implicaría la construcción de grandes aceleradores para (1) crear al bosón de Higgs, (2) buscarlo en un amplio rango de masas, y (3) comprobar que puede desintegrarse o decaer en todas las partículas (y a la tasa) predichas.

De hecho, el bosón de Higgs, que es la manifestación más pequeña del campo de Higgs, probó ser mucho más elusivo de lo esperado. El premio Nobel de física, Leon Lederman, queriendo titular su libro de divulgación sobre el Higgs “La maldita partícula” (del inglés the goddamn particle), terminó por acuñarle el nombre de “La partícula de Dios” (del inglés the God particle) por motivos publicitarios.

El descubrimiento de una nueva partícula.

El Modelo Estándar ha sido corroborado reiteradamente en varias mediciones independientes y complementarias en distintos laboratorios de altas energías en el mundo. Indirectamente se ha verificado que todos los resultados son consistentes con la existencia del bosón de Higgs.

La primera búsqueda directa del bosón se llevó a cabo en el acelerador LEP del CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear) en Suiza, que operó entre 1989 y 2000, y logró acotar su masa por arriba de los 115 GeV. 3Independientemente, el acelerador Tevatrón del Fermilab en E.U.A., de 2001 a 2011, excluyó el rango de masas entre 147 y 179 GeV. Recientemente, los experimentos Atlas y CMS, que detectan las colisiones del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del CERN, acotaron la región de masa entre los 120 y 135 GeV, para finalmente en 2012 observar una partícula con masa de 125 GeV que decae a fotones (Fig. 3), y bosones Z0 (Fig. 4) y W±. Estas observaciones confirman el mecanismo de Brout-Englert-Higgs.

Para descubrir el nuevo bosón, el LHC colisionó de frente “paquetes” con alrededor de 100 billones de protones cada uno. Los cruces de paquetes ocurren cada 25 nanosegundos a una energía altísima, equivalente a una velocidad de los protones del 99.9999991% de la luz. Los puntos de colisión, Atlas y CMS (Fig. 5), son detectores que ocupan edificios enteros (100 metros bajo tierra) y utilizan tecnología de vanguardia para “fotografiar” las miles de partículas que se generan en cada choque. El LHC, junto con sus detectores, podrían considerarse como el microscopio más grande y poderoso jamás construido. Recientemente, el LHC pausó sus operaciones para corregir algunos problemas de construcción que han impedido operar el acelerador a su máxima energía posible.

¿Es el bosón de Higgs?

Luego del anuncio del descubrimiento del nuevo bosón, las Colaboraciones Atlas y CMS actualizaron sus observaciones con los datos acumulados hasta principios del 2013. Los resultados confirman más allá de cualquier duda el descubrimiento, y proporcionan evidencia de que el nuevo bosón no sólo decae a otros bosones (portadores de las interacciones electromagnética y débil), sino también a fermiones. Más aún, su masa, fracciones de ramificación, y números cuánticos (espín, carga y paridad) son compatibles con los del bosón de Higgs. Finalmente, no hay evidencia de decaimientos a partículas que no sean los que se esperan, o de que haya bosones de Higgs adicionales.

A pesar de la evidencia, aún existe la posibilidad de que el nuevo bosón pueda ser, por ejemplo, un “primo cercano” o uno de varios “Higgses” predichos por teorías más allá del Modelo Estándar. Es por ello que se necesitan más datos para poder afirmar, incontrovertidamente, de que no sólo se trata de “un bosón de Higgs”, sino del bosón de Higgs del Modelo Estándar.

La fascinante historia del entendimiento de la materia a su nivel más fundamental se seguirá escribiendo en el 2015, cuando el LHC reinicie las colisiones de protones a energías sin precedentes.

Dr. Iván Heredia de la Cruz es profesor e investigador en la Coordinación de la Investigación Científica de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, y miembro de la Colaboración CMS del CERN y DZero del Fermilab, y el Dr. Luis Manuel Villaseñor Cendejas es profesor e investigador del Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.