La 'caza' del bos¨®n de Higgs

La primera semana de julio del presente a?o est¨¢ siendo particularmente excitante para la f¨ªsica en general y para la f¨ªsica de part¨ªculas elementales, en particular. Los dos laboratorios m¨¢s importantes del mundo dedicados a la b¨²squeda del bos¨®n de Higgs, el Tevatr¨®n de Chicago y el LHC del CERN, en Ginebra, han mostrado sus resultados globales al mundo, en sendos seminarios t¨¦cnicos.

Los resultados mostrados, en particular los del LHC, indican la existencia de una nueva part¨ªcula con una masa de 125,3 m¨¢s/menos 0,6 gigaelectronvoltios (GeV), con un valor de 4.9 sigma, que es compatible con la existencia del bos¨®n de Higgs. ?Qu¨¦ significan estos resultados? En la d¨¦cada de los sesenta la F¨ªsica desarroll¨® su teor¨ªa fundamental de la composici¨®n de la materia y de sus fuerzas b¨¢sicas, conocida como Modelo Est¨¢ndar. Un ingrediente esencial de esta teor¨ªa era el mecanismo por el que se origina la masa. Este consist¨ªa en la existencia de un campo universal, al cual las part¨ªculas se acoplan, siendo la masa una medida de la magnitud de ese acoplamiento. La teor¨ªa era debida al f¨ªsico escoc¨¦s Peter W. Higgs y los f¨ªsicos holandeses Robert Brout y Fran?ois Englert, que junto con otros como Tom Kibble y sus colaboradores la desarrollaron. Un componente del propio campo es el denominado bos¨®n de Higgs. Es el ¨²nico componente del Modelo Est¨¢ndar que ha resistido su observaci¨®n en los casi 50 a?os de historia de la teor¨ªa.

El conocimiento de la materia y de las fuerzas m¨¢s fundamentales, que es equivalente al conocimiento del Universo y su evoluci¨®n, ha sido y es el objetivo de los grandes aceleradores de part¨ªculas, los cuales, ya desde la d¨¦cada anterior al nacimiento de la teor¨ªa est¨¢ndar, han logrado observar y medir con extraordinaria precisi¨®n todos los par¨¢metros de la misma, con excepci¨®n del bos¨®n de Higgs, que se ha resistido a la curiosidad e inter¨¦s cient¨ªfico. ?Por qu¨¦ ha sido as¨ª?

El bos¨®n de Higgs es el ¨²nico componente del Modelo Est¨¢ndar que ha resistido su observaci¨®n en casi 50 a?os

El modo en que se comporta hace que el bos¨®n de Higgs requiera aceleradores de muy alta energ¨ªa y detectores muy sofisticados para su observaci¨®n. Tras ser producido se desintegra inmediatamente, de modo que la observaci¨®n del mismo se debe deducir del an¨¢lisis de sus productos de desintegraci¨®n. Seleccionarlos requiere una ingente labor en la que hay que emplear un gran ingenio y unas t¨¦cnicas muy sofisticadas, que se han ido mejorando progresivamente.

El cerco a la part¨ªcula de Higgs se ha ido acortando gracias a m¨¦todos indirectos basados en la propia ¡°magia¡± de la f¨ªsica cu¨¢ntica. As¨ª, la medida precisa de las masas del quark top y de los bosones W, elementos muy bien conocidos del modelo est¨¢ndar gracias a los estudios de los aceleradores LEP (¡°Large Electron Positron¡±) del CERN y del Tevatron del Fermilab, est¨¢ muy relacionada con el valor esperado de la masa para el bos¨®n de Higgs.

Las b¨²squedas directas se han realizado en el LEP, en el acelerador de protones y antiprotones Tevatron, y, actualmente, en el colisionador de protones del CERN, el LHC, cuya principal finalidad es, precisamente, su descubrimiento.

Como los protones y antiprotones no son part¨ªculas elementales, la colisi¨®n se produce entre dos partes de ellos, por lo que solo se aprovecha una parte de la energ¨ªa de los haces. Adem¨¢s, las partes que no colisionan ¡°ensucian¡± el suceso, haciendo m¨¢s dif¨ªcil su an¨¢lisis. Esto ocurre en los aceleradores hadr¨®nicos, como el Tevatron y el LHC.

La identificaci¨®n de se?ales compatibles con el bos¨®n de Higgs requiere adem¨¢s, tanto en el Tevatr¨®n como en el LHC, m¨¦todos muy sofisticados y complejos de an¨¢lisis y simulaci¨®n. Se trata de resolver sucesos candidatos entre cientos de billones de colisiones.

Las b¨²squedas del bos¨®n de Higgs en estos colisionadores se optimiza para observar distintas combinaciones de part¨ªculas procedentes de sus desintegraci¨®n , tal como lo predice el Modelo Est¨¢ndar. En el LHC los experimentos se han enfocado, sobre todo, en las desintegraciones a dos fotones o a cuatro leptones, las m¨¢s sensibles para dicho acelerador. En el Tevatron, los estudios se han enfocado a las desintegraciones en pares de quark?bottom-antibottom. Por esa raz¨®n, los resultados del Tevatron, siendo mucho menos sensible que los del LHC, son complementarios al mismo y refuerzan los resultados obtenidos en el LHC.

El cerco a la part¨ªcula de Higgs se ha ido acortando gracias a m¨¦todos indirectos basados en la propia ¡°magia¡± de la f¨ªsica cu¨¢ntica

Los grupos experimentales espa?oles son muy activos en este cometido. Ya, en los experimentos del LEP, a finales de los 90 y comienzos de este siglo XXI, diversas instituciones espa?olas realizaron trabajos de b¨²squeda y coordinaci¨®n con otros grupos te¨®ricos para la b¨²squeda del bos¨®n de Higgs.

En el Tevatron, del ¡°Fermi National Accelerator Laboratory¡±, en las cercan¨ªas de Chicago (USA), el Instituto de F¨ªsica de Cantabria (IFCA) se uni¨® a la colaboraci¨®n CDF en el a?o 1999, despu¨¦s de que algunos de sus miembros ya hubieran participado en la primera etapa del Tevatr¨®n. Poco tiempo despu¨¦s se unieron los grupos del CIEMAT, de Madrid , el IFAE, de Barcelona y la Universidad de Oviedo (UO). Adem¨¢s de ser part¨ªcipes de forma muy notable en algunos de los hitos m¨¢s se?alados del Tevatr¨®n, los grupos espa?oles se embarcaron en la ¡°caza¡± del bos¨®n de Higgs.

Por lo que se refiere al LHC, la participaci¨®n espa?ola abarca los cuatro experimentos ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. Concretamente, en el experimento ATLAS participan los grupos del IFAE, el IFIC y la Universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM). En CMS colaboran el CIEMAT, el IFCA , la UAM y la UO. Han participado en todos los aspectos, tanto en la construcci¨®n de detectores sofisticados, como en las tareas ¡°gigantescas¡± de c¨®mputo de las se?ales obtenidas en los experimentos y an¨¢lisis de los mismos.

Si bien los resultados mostrados son consistentes con la existencia del bos¨®n de Higgs, a¨²n no es posible demostrar su existencia. Para ello no basta la observaci¨®n de algo compatible, sino que se requiere estudiar sus propiedades con precisi¨®n. Ello requerir¨¢ el esfuerzo continuado de los f¨ªsicos del LHC durante los pr¨®ximos a?os y, posiblemente, la construcci¨®n y explotaci¨®n de un nuevo acelerador lineal electr¨®n-positr¨®n(antielectr¨®n), que se est¨¢ dise?ando a nivel mundial. Los f¨ªsicos espa?oles est¨¢n participando muy activamente en estos estudios.

Alberto Ruiz Jimeno es el jefe del Grupo de F¨ªsica de Altas Energ¨ªas del Instituto de F¨ªsica de Cantabria (CSIC-Universidad de Cantabria).