La b¨²squeda del bos¨®n de Higgs en el LHC con el detector Atlas

El LHC (Large Hadron Collider en sus siglas en ingl¨¦s) es un acelerador de part¨ªculas construido en el laboratorio del CERN, e instalado en un t¨²nel circular de 27 kil¨®metros de circunferencia a cien metros de profundidad en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra.

El acelerador est¨¢ formado por 1232 imanes superconductores que funcionan a una temperatura de menos 271 grados cent¨ªgrados, lo que le hace el lugar m¨¢s fr¨ªo del Universo. En el LHC se aceleran haces de protones a casi la velocidad de la luz y se hacen colisionar con una energ¨ªa de hasta 8 TeV (teraelectronvoltios), la energ¨ªa m¨¢s alta jam¨¢s alcanzada por el hombre, y que reproduce las condiciones de temperatura existentes tan s¨®lo fracciones de segundo despu¨¦s del Big Bang.

El LHC produce mil millones de colisiones por segundo en el centro de los experimentos: enormes instrumentos complejos (a veces considerados catedrales de las tecnolog¨ªas del siglo XXI) formados por detectores muy precisos, que usan tecnolog¨ªa punta y que tienen la capacidad de estudiar las part¨ªculas resultantes de las colisiones.

ATLAS es un detector de 45 metros de longitud, 25 metros de altura, 7000 toneladas de peso, y con m¨¢s de 160 millones de canales de lectura. El volumen de datos acumulados por los experimentos es inmenso (equivalente a 27 CDs por minuto). Su an¨¢lisis requiere una capacidad de c¨¢lculo sin precedentes, s¨®lo posible gracias al GRID: un sistema de computaci¨®n distribuida en centros de c¨¢lculo alrededor de todo el planeta.

Uno de los objetivos principales del LHC es la b¨²squeda del bos¨®n de Higgs, el ¨²nico ingrediente que falta en la gran construcci¨®n te¨®rica llamada el Modelo Est¨¢ndar, que hasta el d¨ªa de hoy describe con precisi¨®n los interacciones entre las part¨ªculas elementales conocidas. Este ¨¦nfasis del LHC en descubrir y estudiar el bos¨®n de Higgs est¨¢ bien justificado: a esta part¨ªcula se la considera responsable de generar la masa del resto de part¨ªculas elementales, sin la cual el Universo ser¨ªa un lugar mucho m¨¢s inh¨®spito, y ciertamente incapaz de albergar la vida tal y como la conocemos.

Al bos¨®n de Higgs se le considera responsable de generar la masa del resto de part¨ªculas elementales

Durante los ¨²ltimos cuarenta a?os, los f¨ªsicos de part¨ªculas han estado buscando indicios de la existencia del bos¨®n de Higgs entre los productos resultantes de la colisiones de part¨ªculas a energ¨ªas cada vez m¨¢s altas. Una vez producido como resultado de una colisi¨®n, el bos¨®n de Higgs r¨¢pidamente se desintegra en parejas de part¨ªculas m¨¢s ligeras dejando huellas bien definidas en los detectores, que las distinguen de otras colisiones de menos inter¨¦s. Los f¨ªsicos se centran en estudiar aquellos modos de desintegraci¨®n que permiten m¨¢s f¨¢cilmente identificar una se?al de Higgs y medir sus propiedades como, por ejemplo, su masa. Los modos de desintegraci¨®n m¨¢s explorados son aquellos donde el Higgs se desintegra en una pareja de quarks ¡°bottom¡±, en una pareja de fotones (la part¨ªcula asociada con la luz) o en una pareja de bosones W o Z (un tipo de ¡°fotones¡± pesados presentes en desintegraciones radiactivas).

En los a?os noventa, el bos¨®n de Higgs fue buscado sin ¨¦xito por el acelerador de part¨ªculas LEP del CERN, que estableci¨® que en caso de existir, el bos¨®n de Higgs tendr¨ªa que tener una masa superior a aproximadamente 115 GeV (gigaelectronvolts). Durante la ¨²ltima d¨¦cada, los f¨ªsicos han usado el acelerador Tevatron, en el laboratorio Fermilab cerca de Chicago (Estados Unidos), donde protones y antiprotones colisionaban a energ¨ªas cercanas a 2 TeV. En septiembre del 2011, el Tevatron ces¨® de producir colisiones pero la b¨²squeda del Higgs en los datos acumulados a¨²n continua.

El experimento ATLAS en una colaboraci¨®n internacional de m¨¢s de 3000 cient¨ªficos provenientes de 175 instituciones en 38 pa¨ªses

Aunque es improbable que el Tevatron pueda descubrir el bos¨®n de Higgs, proporcionar¨¢ informaci¨®n complementaria que ayude a aclarar la naturaleza de un posible descubrimiento en el LHC. Mientras que en el LHC los modos preferidos para buscar el Higgs son aquellos modos de desintegraci¨®n con dos fotones o dos bosones Z, que permiten una medida precisa de su masa, el Tevatron es particularmente sensible al modo de desintegraci¨®n en dos quarks ¡°bottom¡±.

El experimento ATLAS en una colaboraci¨®n internacional de m¨¢s de 3000 cient¨ªficos provenientes de 175 instituciones en 38 pa¨ªses, y entre las que se encuentran algunas de las m¨¢s prestigiosas universidades y laboratorios del mundo. Desde 2009, cuando se inyectaron los primeros haces de protones de alta energ¨ªa en el LHC, ATLAS fue a la caza del bos¨®n de Higgs. En Diciembre de 2011, ATLAS present¨® sus primeros resultados tras el an¨¢lisis de los datos acumulados durante el a?o. Por entonces las medidas de ATLAS suger¨ªan la presencia de un peque?o exceso de sucesos alrededor de una masa de 126 GeV (126 veces la masa de prot¨®n) aunque la precisi¨®n de los datos no permiti¨® a los f¨ªsicos descartar que no se tratase una mera fluctuaci¨®n en la medida, producto del azar.

En 2012, el LHC aument¨® su energ¨ªa de las colisiones (de 7 TeV a 8 TeV) y durante los seis primeros meses ATLAS ya ha acumulado m¨¢s datos que durante todo el a?o anterior. En los ¨²ltimos meses, los cient¨ªficos en ATLAS han mantenido una actividad fren¨¦tica de an¨¢lisis de los datos que concluye ahora. Los nuevos resultados llegan a tiempo para ser presentados en su conferencia internacional m¨¢s importante, que este a?o tiene lugar en Melbourne (Australia).

El experimento ATLAS ha podido confirmar la presencia de un exceso de sucesos correspondiente a una part¨ªcula con masa de 126 GeV. En el lenguaje de los f¨ªsicos, la significancia del efecto observado supera las 5 sigmas que corresponde a un margen de error menor del 0.00006%. Las medidas indican que podr¨ªa tratarse del bos¨®n de Higgs del Modelo Est¨¢ndar, aunque los f¨ªsicos son cautos. Antes de poder afirmarlo estudios detallados de sus propiedades son a¨²n necesarios. Esto requerir¨¢ m¨¢s tiempo y m¨¢s datos, y ser¨¢ el centro de la actividad de los cient¨ªficos de ATLAS durante los pr¨®ximos a?os. Los experimentos del LHC seguir¨¢n tomando datos durante el resto de 2012, lo que les permitir¨¢ doblar el volumen de los datos ya analizados.

Por su parte, el Tevatron en USA present¨® sus ¨²ltimos resultados de la b¨²squeda del Higgs el 2 de Julio en Fermilab. Los datos sugieren la presencia de un exceso de sucesos compatibles con un bos¨®n de Higgs con masa de entre 115 y 135 GeV. Los resultados tienen un margen de error del orden de 0.2% y no son significativos dentro de los altos est¨¢ndares cient¨ªficos, pero invitan a pensar que los f¨ªsicos del LHC est¨¢n m¨¢s y m¨¢s cerca de dar respuesta a una pregunta con la que convivimos desde hace m¨¢s de 50 a?os.

Y todo esto es s¨®lo el principio. El LHC aspira a determinar la naturaleza de la materia oscura en el Universo, establecer o no la existencia de nuevas dimensiones m¨¢s all¨¢ de las conocidas (tres coordenadas espaciales y el tiempo), explicar la asimetr¨ªa entre materia y antimateria (la ausencia de antimateria) en el Universo conocido, y progresar en la b¨²squeda de una teor¨ªa del todo que logre unificar la descripci¨®n de las diferentes interacciones entre part¨ªculas en t¨¦rminos de una sola.

Participaci¨®n espa?ola en Atlas

ATLAS incluye la participaci¨®n de investigadores del Instituto de F¨ªsica Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas (CSIC) y la Universitat de Val¨¨ncia; el Institut de Fisica d'Altes Energies (IFAE), consorcio entre la Generalitat de Catalunya y la Universitat Aut¨°noma de Barcelona; el Instituto de Microelectr¨®nica de Barcelona (CNM©\IMB©\CSIC); y la Universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM).

El IFIC, en colaboraci¨®n con el CNM©\IMB©\CSIC, ha contribuido al dise?o del detector de trazas del experimento ATLAS, su electr¨®nica y sensores, y ha construido 280 m¨®dulos de silicio completamente equipados. IFAE, junto con el IFIC, jug¨® un papel principal en el dise?o y construcci¨®n del calor¨ªmetro hadr¨®nico de ATLAS y se responsabiliz¨® de la construcci¨®n de una de las tres secciones centrales del calor¨ªmetro formada por 64 m¨®dulos de 11 toneladas cada uno. El IFIC ha dise?ado y producido la totalidad de la electr¨®nica de lectura y adquisici¨®n de datos, mientras que el IFAE desarroll¨® una parte significativa de la electr¨®nica de calibraci¨®n y contribuy¨® a la arquitectura del sistema de Trigger de pre-selecci¨®n y adquisici¨®n en tiempo real de los datos. La UAM particip¨® en la construcci¨®n del calor¨ªmetro electromagn¨¦tico, otro de los detectores de ATLAS, haci¨¦ndose cargo de la construcci¨®n de una cuarta parte.

Desde la puesta en marcha del detector ATLAS, los miembros de las diferentes instituciones espa?olas participan activamente en la operaci¨®n y mantenimiento de los detectores, con una fuerte presencia en las actividades de alineamiento, calibraci¨®n y selecci¨®n de datos online.

Dentro del amplio programa de investigaci¨®n del LHC, los grupos espa?oles en ATLAS participan en un gran n¨²mero de l¨ªneas de investigaci¨®n en el an¨¢lisis de los datos, que cubren muchos de los temas a priori m¨¢s interesantes del programa del LHC. En particular, en el caso de la b¨²squeda del bos¨®n de Higgs del Modelo Est¨¢ndar los grupos han estudiado diferentes estados finales resultado de la desintegraci¨®n de la part¨ªcula de Higgs en dos fotones, dos leptones taus, dos quarks bottom, y dos bosones Z o W.

El sistema mundial de proceso de datos para el LHC (GRID) es el de mayor capacidad jam¨¢s construido. Su n¨²cleo central est¨¢ compuesto por el propio CERN y 11 centros de primer nivel conectados directamente al CERN por fibras ¨®pticas de alta capacidad. Uno de estos 11 centros de primer nivel es gestionado por Espa?a desde el Port d'Informaci¨® Cient¨ªfica (PIC), situado en el campus de la Universidad Aut¨®noma de Barcelona (UAB).

Mario Martinez es el investigador principal del Grupo del Instituto de Fisica de Altas Energ¨ªas (IFAE) en ATLAS. Universidad Aut¨®noma de Barcelona (PI del grupo del IFAE en ATLAS)