El bos¨®n de Higgs para profanos

La masa es uno de los conceptos m¨¢s fundamentales y a la vez extra?os en f¨ªsica. Desde que, siendo unos reto?os, empezamos a interaccionar con el mundo que nos rodea nos familiarizamos con la masa de los objetos. Nos resulta sencillo desplazar la pelota de goma, pero se nos hace imposible mover el armario. R¨¢pidamente asociamos el concepto de masa al de inercia, concepto, ¨¦ste ¨²ltimo, que tenemos tan interiorizado que nos resulta tremendamente intuitivo, incontestable.

Los objetos macrosc¨®picos (los que podemos ver a simple vista) est¨¢n hechos de materiales compuestos de mol¨¦culas. Estas no son sino conjuntos de ¨¢tomos, estructuras formadas por ¨ªnfimas part¨ªculas elementales que interaccionan entre s¨ª gracias a su carga el¨¦ctrica.

La masa de todo lo que nos rodea es (dejando de lado el rigor de importantes detalles en aras de hacer el razonamiento m¨¢s intuitivo) la suma de las masas de todas esas part¨ªculas diminutas, invisibles, de las que est¨¢n hechos, de las que estamos hechos.

En f¨ªsica no es f¨¢cil explicar cu¨¢l es el origen de la masa de las part¨ªculas.

En f¨ªsica no es f¨¢cil explicar cu¨¢l es el origen de la masa de las part¨ªculas. Podr¨ªamos contentarnos con asumir que es as¨ª, renunciando a profundizar en los misterios de la naturaleza. Pero esa actitud no cr¨ªtica es contraria al esp¨ªritu de la ciencia. Es razonable pensar que existe un mecanismo que hace que unas part¨ªculas experimenten una inercia diferente de otras, por lo que sus masas ser¨¢n de diferente magnitud.

Una hip¨®tesis razonable para este mecanismo es suponer que existe un "campo" que permea todo el espacio (el universo) con el que interaccionan casi todas las part¨ªculas elementales. Aquellas part¨ªculas que experimenten una interacci¨®n intensa con este campo ser¨¢n part¨ªculas muy masivas, mientras las que lo hagan levemente ser¨¢n ligeras.

Pero, ?y las que no interaccionan ? Esas, como el fot¨®n (la part¨ªcula de la luz), carecen de masa pudiendo moverse libremente a la velocidad de la luz. Estamos hablando del campo de Higgs. Si visualizamos este campo como una gelatina que, de forma apenas perceptible, ocupa todo el espacio podemos interpretar la inercia como la interacci¨®n de las part¨ªculas elementales con esta "sustancia" (sin olvidar que ¨¦sto no es sino una imagen mental, un ejercicio intelectual). Este campo que, como dijimos, permea todo el espacio, es pr¨¢cticamente indetectable. Sin embargo, el modelo de Higgs predice que si lo agitamos con suficiente fuerza podemos producir perturbaciones en el mismo que ser¨ªan detectables. Esas perturbaciones son la part¨ªcula de Higgs (m¨¢s t¨¦cnicamente, el bos¨®n de Higgs).

El bos¨®n de Higgs y los experimentos del CERN

En ciencia, para que un teor¨ªa pase de ser una hip¨®tesis razonable, es imprescindible que haga predicciones de fen¨®menos no observados previamente, y que estas predicciones sean confirmadas a trav¨¦s de experimentos.

Una forma de alcanzar la energ¨ªa capaz de producir perturbaciones detectables del campo de Higgs es acelerar dos haces de protones, en direcciones contrarias, a una velocidad pr¨®xima a la de la luz, y hacerlos chocar, provocando la completa desintegraci¨®n de las part¨ªculas que participan en la colisi¨®n (los quarks y gluones de los que est¨¢n hechos los protones). La energ¨ªa de la colisi¨®n se transforma en nuevas part¨ªculas (ya conocidas) que se alejan del punto de interacci¨®n a velocidades pr¨®ximas a las de la luz.

El acelerador LHC del CERN es capaz de acelerar grandes cantidades de protones (decenas de billones de protones por haz) al 99.999997% de la velocidad de la luz y hacerlos colisionar en puntos de interacci¨®n muy precisos (cada uno de ellos es, en buena aproximaci¨®n, un circulo de 10 mil¨¦simas de mil¨ªmetro de radio) en torno a los cuales est¨¢n situados los detectores de part¨ªculas.

Estos detectores, ATLAS y CMS, son complejos dispositivos electr¨®nicos (con unos 100 millones de canales de lectura) capaces de registrar con elevad¨ªsima precisi¨®n las trayectorias y energ¨ªas de las part¨ªculas emergentes de las colisiones entre protones, que tienen lugar a un ritmo de 20 millones de veces por segundo.

Si el bos¨®n de Higgs existe, en un muy reducido n¨²mero de casos tambi¨¦n podr¨ªa ser producido en el colosal choque de part¨ªculas

Si el bos¨®n de Higgs existe, en un muy reducido n¨²mero de casos tambi¨¦n podr¨ªa ser producido en el colosal choque de part¨ªculas (que llamamos "suceso"). La dificultad del experimento radica en aislar las colisiones en las que se ha producido un bos¨®n de Higgs de aquellas en las que no lo ha hecho lo que, seg¨²n los modelos te¨®ricos, ocurre una vez cada bill¨®n de colisiones. El f¨ªsico experimental debe explotar las propiedades de desintegraci¨®n del bos¨®n de Higgs para separar su se?al de la ingente cantidad de colisiones muy similares que, sin embargo, no han dado lugar a esta part¨ªcula. No es trivial identificar un suceso de Higgs aislado, por lo que el experimento se realiza una enorme cantidad de veces para acumular un elevado n¨²mero de datos. Esto pone de manifiesto el car¨¢cter estad¨ªstico del an¨¢lisis. Cuando decimos que un suceso (una colisi¨®n) ha dado lugar a un bos¨®n de Higgs, solo podemos hablar de la probabilidad de que sea as¨ª. Las muestras de sucesos "de Higgs" contienen inevitablemente una cantidad de otros sucesos (sin Higgs) que tenemos que cuantificar con much¨ªsimo cuidado, lo que supone una buena parte del trabajo del f¨ªsico experimental.

El bos¨®n de Higgs no se puede detectar directamente. Esta part¨ªcula altamente inestable se desintegrar¨ªa de forma casi inmediata dando lugar a otras part¨ªculas m¨¢s comunes. En el modelo de Higgs, el par¨¢metro fundamental que dicta c¨®mo se desintegra el bos¨®n de Higgs y c¨®mo se observa en los experimentos es la masa del propio bos¨®n de Higgs. Los f¨ªsicos determinan la masa de esta part¨ªcula a partir de las medidas precisas de las trayectorias y energ¨ªas de las part¨ªculas procedentes de su desintegraci¨®n. Estas distribuciones contienen una contribuci¨®n irreducible de sucesos sin Higgs (llamados contaminaci¨®n) y una contribuci¨®n adicional compatible con la se?al esperada para sucesos con un bos¨®n de Higgs con una masa pr¨®xima a 125 GeV (es decir, 133 veces la masa del prot¨®n).

Para poder afirmar que las observaciones confirman o refutan la teor¨ªa es imprescindible cuantificar la prominencia de los sucesos compatibles con la se?al del Higgs sobre los sucesos de contaminaci¨®n. Dado el car¨¢cter estad¨ªstico del an¨¢lisis, cuantificamos la se?al como la probabilidad de que sea incompatible con una fluctuaci¨®n estad¨ªstica de los sucesos de contaminaci¨®n, sin Higgs. En el caso de CMS, esta incompatibilidad es de una parte en 3 millones.

Para poder confirmar si se trata del bos¨®n de Higgs o de otra part¨ªcula similares, ATLAS y CMS van a medir con precisi¨®n la naturaleza y propiedades de la nueva part¨ªcula con datos que LHC va a proporcionar

Como consecuencia del an¨¢lisis de los datos del detector CMS podemos afirmar que, con la probabilidad mencionada, observamos la se?al de una nueva part¨ªcula compatible con lo que se espera para un bos¨®n de Higgs de masa 125.3 GeV. El hecho de que ATLAS obtenga conclusiones similares del an¨¢lisis de sus datos refuerza nuestras conclusiones. En cualquier caso, para poder confirmar si se trata realmente del bos¨®n de Higgs o de otra part¨ªcula con caracter¨ªsticas similares, ATLAS y CMS van a medir con precisi¨®n la naturaleza y propiedades de la nueva part¨ªcula con los datos que LHC va a proporcionar hasta primeros de 2013, multiplicando por un factor aproximadamente 4 el n¨²mero de datos recogidos hasta la fecha.

El dise?o y construcci¨®n del experimento CMS ha supuesto un colosal esfuerzo de cient¨ªficos e ingenieros procedentes de unos 40 pa¨ªses. Actualmente, la Colaboraci¨®n CMS est¨¢ integrada por 3300 f¨ªsicos e ingenieros de 193 institutos. Entre ellos se encuentran los grupos espa?oles del Instituto de F¨ªsica Corpuscular de Cantabria, la Universidad de Oviedo, la Universidad Aut¨®noma de Madrid y el Centro de Investigaciones Energ¨¦ticas, Mediambientales y Tecnol¨®gicas (CIEMAT, Madrid). Los grupos espa?oles han participado, desde hace 20 a?os, en todas las facetas del experimento: dise?o, construcci¨®n, puesta en marcha, adquisici¨®n y an¨¢lisis de datos, as¨ª como en el sistema de computaci¨®n distribuida Grid. En particular, han hecho contribuciones directas muy importantes en la b¨²squeda del bos¨®n de Higgs.

Pablo Garc¨ªa Abia es f¨ªsico del Ciemat y miembro del experimento CMS