?Qu¨¦ hay despu¨¦s del bos¨®n de Higgs?

¡°?Por qu¨¦ se emocion¨® la gente con la relatividad de Einstein, cuando yo era un ni?o, all¨¢ por los a?os treinta? ?Por qu¨¦ la gente adora las buenas fotos de Saturno? ?Por qu¨¦ tantas personas se preocuparon tanto cuando Plut¨®n fue degradado como planeta? ?Por qu¨¦ fascina la materia oscura y la energ¨ªa oscura del universo?¡±, comenta el premio Nobel de F¨ªsica Sheldon Lee Glashow al plantearse la repentina popularidad, todo un exitazo mundial, de una nueva part¨ªcula elemental, min¨²scula, pero esencial para comprender de qu¨¦ estamos hechos, bautizada con el extra?o nombre de bos¨®n de Higgs y reci¨¦n descubierta, o casi. El hallazgo, anunciado el pasado 4 de julio en el Laboratorio Europeo de F¨ªsica de Part¨ªculas (CERN), junto a Ginebra, culmina m¨¢s de medio siglo de b¨²squeda cient¨ªfica con enormes esfuerzos de investigaci¨®n en el mayor complejo de m¨¢quinas de experimentaci¨®n cient¨ªfica que se ha construido jam¨¢s. Y ahora ?Qu¨¦ hay despu¨¦s Higgs? ?Qu¨¦ nuevos fen¨®menos de la naturaleza pueden surgir en el gran acelerador de part¨ªculas LHC y sus detectores, en los que el Higgs se ha hecho realidad por fin?

Los f¨ªsicos, por supuesto, siguen en la brecha, intentado siempre desvelar los enigmas de la naturaleza. Y para ellos un descubrimiento es siempre un escal¨®n m¨¢s, nunca el final de la escalera. Pero a veces el hallazgo es tan importante que condiciona los siguientes pasos a dar. El bos¨®n de Higgs no es una part¨ªcula cualquiera, dice Glashow, es la ¨²ltima pieza que faltaba en la teor¨ªa contempor¨¢nea que describe como est¨¢n hechas las cosas, todo lo que vemos en el universo. ¡°Y juega un gran papel¡±, a?ade, con su habitual entusiasmo este f¨ªsico estadounidense de la Universidad de Boston.

¡°Sin el Higgs no existir¨ªamos¡±, apunta el director del CERN, el alem¨¢n Rolf Heuer. ¡°Cuando estudiamos los componentes m¨¢s peque?os de la materia, abordamos las mayores preguntas del universo, y el bos¨®n de Higgs nos dir¨¢ c¨®mo las part¨ªculas fundamentales de las que todos estamos hechos adquieren su masa y, por tanto, permiten la existencia de cosas complejos, como los seres humanos¡±, comenta.

Heuer fue qui¨¦n present¨®, el 4 de julio, en el auditorio del CERN y con transmisi¨®n por internet a todo el mundo, las charlas de Joe Incandela y Fabiola Gianotti, los portavoces de los dos enormes detectores Atlas y CMS en los que hab¨ªan por fin aparecido las huellas del ansiado bos¨®n de Higgs. Daniel Froidevaux dice que ¡°fue un momento m¨¢gico¡±. Para este f¨ªsico suizo que empez¨® a proyectar y trabajar en el experimento Atlas hace 25 a?os ¡°ha sido una suerte inmensa, porque nadie te puede garantizar que en tu vida profesional vayas a presenciar un descubrimiento as¨ª¡±. Se emocion¨®, reconoce, hasta las l¨¢grimas, el 4 de julio, pero ya mira hacia adelante, como todos los expertos, confiando en que el LCH proporciones se?ales de un universo desconocido. Ese es realmente el objetivo del gran acelerador, dice.

La idea b¨¢sica de este tipo de m¨¢quinas (y el LHC es la m¨¢s potente jam¨¢s construida) es hacer chocar frontalmente part¨ªculas ¨Cprotones, en el acelerador de Ginebra- aceleradas hasta casi la velocidad de la luz de manera que en las colisiones y, siguiendo las leyes de la f¨ªsica, formen otras part¨ªculas, casi siempre conocidas, pero a veces, muy de vez en cuando, nuevas, como el bos¨®n de Higgs.

Encontrar el famoso bos¨®n ha sido muy dif¨ªcil, ¡°como dar con un tipo especial de copo de nieve en una gran nevada¡±, se?ala Heuer.

Pero pueden desvelarse m¨¢s secretos de la naturaleza. Nuevas familias de part¨ªculas que ahora solo son hip¨®tesis de los te¨®ricos, incluso huellas de nuevas dimensiones espaciales que puedan existir adem¨¢s de las tres en las que vivimos (alto, ancho y largo) y que est¨¦n escondidas en el microcosmos, son algunas posibles piezas a cazar en el CERN en los pr¨®ximos a?os.

Conviene hacer un somero repaso de c¨®mo es y c¨®mo funciona el microcosmos. La materia de nosotros mismos, de todo lo que nos rodea y lo que vemos en el cosmos, incluidos planetas, estrellas y galaxias, est¨¢ formada por part¨ªculas elementales gobernadas por fuerzas fundamentales. Los ¨¢tomos son objetos compuestos por un n¨²cleo rodeado de electrones (que parecen ser part¨ªculas fundamentales, indivisibles), y el n¨²cleo esta hecho de protones y neutrones (en muchos casos), a su vez formados por quarks, estos si indivisibles (por lo que ahora se sabe). Pues bien, los f¨ªsicos, a lo largo del siglo XX y con la estrategia eficaz de combinar observaciones, experimentos y teor¨ªas que los expliquen, han logrado describir esas part¨ªculas y sus interacciones en el llamado Modelo Est¨¢ndar (MS), verificado y comprobado con una precisi¨®n enorme.

¡°El bos¨®n de Higgs nos dir¨¢ c¨®mo las part¨ªculas adquieren su masa y permiten la existencia de cosas complejas¡±

El modelo est¨¢ndar describe las part¨ªculas elementales y como funcionan. Es un poco como un kit con distintas piezas y las instrucciones para montarlas. Las piezas son las part¨ªculas que constituyen la materia y las instrucciones describen como funcionan, es decir las fuerzas entre ellas, que curiosamente, consisten en intercambios tambi¨¦n de part¨ªculas. Las piezas son 12 part¨ªculas (como los quarks o los electrones) organizadas en tres familias, y las fuerzas de interacci¨®n del MS son tambi¨¦n tres: el com¨²n electromagnetismo, la fuerza d¨¦bil responsable de las desintegraciones radiactivas y la fuerza fuerte que mantiene unidos los quarks en los protones y neutrones del n¨²cleo at¨®mico.

Pero el MS no es perfecto y una de sus deficiencias importantes, adem¨¢s de no lograr acomodar en ella la cuarta fuerza, la gravedad, es su incapacidad de explicar por qu¨¦ unas part¨ªculas tienen masa y otras no, y por qu¨¦ las primeras tienen masas diferentes. Y aqu¨ª se incorpor¨® el bos¨®n de Higgs al MS como soluci¨®n te¨®rica, hace casi medio siglo. Esta part¨ªcula es la manifestaci¨®n del denominado campo de Higgs con el que interaccionan m¨¢s o menos intensamente las part¨ªculas que tienen masa, y nada las que no la tienen (como el fot¨®n de la luz). Este mecanismo fue propuesto por varios f¨ªsicos te¨®ricos (el brit¨¢nico Peter Higgs, entre otros), pero ha sido muy dif¨ªcil comprobar si era correcto, si la naturaleza funciona realmente as¨ª, y s¨®lo con el descubrimiento experimental del bos¨®n concreto empiezan a aclararse las cosas.

La part¨ªcula que los f¨ªsicos de Atlas y CMS anunciaron el 4 de julio es un bos¨®n (un tipo de part¨ªculas) y muy posiblemente el que se estaba buscando, pero los expertos no est¨¢n a¨²n seguros, as¨ª que lo primero es estudiarlo con m¨¢s detalle y salir de dudas. ¡°Determinar si es exactamente esa part¨ªcula o si hay m¨¢s bosones de Higgs adicionales requerir¨¢ analizar los datos del LCH durante las pr¨®ximas una o dos d¨¦cadas y el estudio, probablemente, continuar¨¢ en un futuro acelerador dise?ado especialmente para medir con alta precisi¨®n sus propiedades¡±, dice Aurelio Juste Rozas, investigador del Instituto de F¨ªsica de Altas Energ¨ªas (IFAE, en Barcelona) y miembro del experimento Atlas.

Tambi¨¦n considera que la cosa llevar¨¢ tiempo Marcos Cerrada, del Ciemat, f¨ªsico del CMS. ¡°Pero si se trata precisamente del bos¨®n de Higgs, sabemos perfectamente qu¨¦ caracter¨ªsticas debe tener¡±, a?ade.

Igualmente pide paciencia Froidevaux: ¡°A finales de ese a?o sabremos un poco m¨¢s, pero bien podemos tardar diez a?os en caracterizar el nuevo bos¨®n y verificar que sus propiedades son compatibles con el Modelo Est¨¢ndar¡±. De manera que el camino inmediato a seguir con el LHC esta claro, no as¨ª lo que se puede descubrir.

¡°El LHC tiene mucho recorrido. La nueva etapa que aumentar¨¢ la energ¨ªa nos abre una regi¨®n inexplorada¡±

Hay que tener presente que el descubrimiento ¡°se ha alcanzado mucho antes de lo esperado inicialmente tras analizar tan solo un 1% de las datos que se esperan acumular con este acelerador, lo cual es prometedor de cara a unos futuros descubrimientos que puedan estar aguard¨¢ndonos¡±, advierte Juste Rozas.

El LHC seguir¨¢ funcionando hasta diciembre; luego, a principios de 2013 se apagar¨¢ para realizar, durante dos a?os, las adaptaciones necesarias antes de encenderlo de nuevo a finales 2014 con el doble de energ¨ªa. ¡°Yo no esperar¨ªa otro gran descubrimiento antes del pr¨®ximo diciembre, pero yo no decido, decide la naturaleza, as¨ª que uno nunca sabe¡­¡±, reconoce Heuer.

¡°Despu¨¦s del Higgs, ?El diluvio?¡±, se pregunta con iron¨ªa el f¨ªsico te¨®rico del CERN Luis ?lvarez Gaum¨¦. ¡°Esperemos que sea un diluvio lleno de sorpresas y descubrimientos nuevos. El an¨¢lisis de lo que podr¨ªa ser la part¨ªcula de Higgs contin¨²a y hay que poner mucha atenci¨®n para ver si existen anomal¨ªas sistem¨¢ticas en los datos que indiquen de forma indirecta la existencia de una realidad m¨¢s all¨¢ de la que conocemos¡±.

Lo interesante de la f¨ªsica de part¨ªculas a principios del siglo XXI es que si es asombroso lo mucho que conocen y entienden los cient¨ªficos de c¨®mo es el universo en sus componentes m¨¢s elementales, m¨¢s asombroso a¨²n es lo much¨ªsimo que desconocen y que intenta desvelar con teor¨ªas e hip¨®tesis y, necesariamente, con experimentos que demuestren su veracidad. Se refieren a todo esto como ¡°nueva f¨ªsica¡±, porque saben que el Modelo Estandar, por bien que funcione, no es la ¨²ltima palabra, no es perfecto, dejan cabos sueltos¡­. Luego no puede ser la descripci¨®n definitiva del mundo subat¨®mico.

¡°Personalmente espero que si hay otro descubrimiento sea una sorpresa, algo que no esperamos, pero tengo muchas esperanzas de encontrar indicios, por ejemplo, de part¨ªculas supersim¨¦tricas¡±, dice Incandela. ¡°La filosof¨ªa es no dejar ninguna piedra sin levantar: buscamos indicios de part¨ªculas supersim¨¦tricas, indicaci¨®n de dimensiones extra, una cuarta generaci¨®n de part¨ªculas, etc¨¦tera. Se busca sistem¨¢ticamente lo esperado por todo tipo de teor¨ªas, pero tambi¨¦n lo inesperado, intentado simplemente observar desviaciones de las predicciones del modelo est¨¢ndar¡±, apunta Martine Bosman, del IFAE.

De esas part¨ªculas supersim¨¦tricas no ha aparecido a¨²n se?al alguna en los experimentos, pero abundan en las discusiones entre los f¨ªsicos te¨®ricos, en los art¨ªculos cient¨ªficos, los congresos y las charlas en las instituciones de f¨ªsica de todo el mundo, incluido el CERN. Se trata de un nuevo modelo te¨®rico que engloba al Modelo Est¨¢ndar y que supera en parte sus limitaciones. Y, seg¨²n las predicciones de esas teor¨ªas supersim¨¦tricas, llamadas SUSY, debe existir todo un conjunto de nuevas part¨ªculas primas de las ya conocidas, pero con caracter¨ªsticas propias, denominadas supersim¨¦tricas. Nadie sabe si realmente existen, ni siquiera aparecer¨ªan en los experimentos del gran acelerador de Ginebra, caso de existir. Pero se buscan con ah¨ªnco. ¡°El LHC tiene mucho recorrido todav¨ªa: la etapa siguiente en la que se aumentar¨¢ la energ¨ªa, nos abre una nueva regi¨®n inexplorada hasta ahora¡±, avanza Cerrada.

El CERN, con su LHC y sus detectores, es ahora el centro indiscutible de la f¨ªsica de part¨ªculas

Hay numerosos laboratorios en el mundo donde los cient¨ªficos se afanan en la exploraci¨®n del universo subat¨®mico, pero el CERN, con su LHC y sus magn¨ªficos detectores, es ahora el centro indiscutible de la f¨ªsica de part¨ªculas internacional. En el Atlas y en el CMS trabajan (en cada uno) unos 3.000 f¨ªsicos, ingenieros y t¨¦cnicos, incluido un buen porcentaje de j¨®venes haciendo su doctorado que ser¨¢n los que explotar¨¢n a fondo las capacidades de estas instalaciones y tendr¨¢ que desarrollar y construir las futuras. Han vivido el hito hist¨®rico del bos¨®n que probablemente es el Higgs del Modelo Est¨¢ndar, pero con el descubrimiento se abren nuevas ventanas para mirar m¨¢s lejos. Y no hay que perder de vista los resultados de otros dos detectores del LHC (Alice y LHCb) no tan directamente enfocados a ese hist¨®rico objetivo de hallar la part¨ªcula causante de la masa, pero en los que pueden surgir sorpresas importantes.

¡°Tenemos muchas razones para creer que tiene que haber algo m¨¢s all¨¢ del Higgs en la Naturaleza¡±, comenta ?lvarez Gaum¨¦. ¡°Hay muchas cosas que no entendemos, como por ejemplo de qu¨¦ est¨¢ hecha la material oscura que se observa a nivel gal¨¢ctico o por que estamos aqu¨ª, es decir (c¨®mo es posible que haya materia y no antimateria), el origen de la masa de los neutrinos¡­. Muchas cosas que nos hacen pensar que queda mucho por descubrir. Lo dif¨ªcil de responder es si el LHC u otros experimentos tienen la energ¨ªa y el alcance para observar la nueva f¨ªsica que nos dar¨ªan pistas sobre las respuestas a estos interrogantes¡±.

Cada vez m¨¢s la exploraci¨®n del microcosmos confluye con el macrocosmos, el universo entero, y los f¨ªsicos te¨®ricos apuntan lejos: ¡°Como todo buen descubrimiento, el del Higgs implicar¨ªa un problema tan grande o mayor que el que resuelve, algo que a los f¨ªsicos nos deleita¡±, dice ?lvaro de R¨²jula, f¨ªsico te¨®rico del CERN y del Instituto de F¨ªsica Te¨®rica (UAM-CSIC). ¡°Del mismo modo que aqu¨ª tenemos un campo gravitatorio que no vemos, pero que nos atrae hacia la tierra, habr¨ªa un campo de Higgs permeando uniformemente el universo entero. Si lo que ahora comprobamos es, sin m¨¢s, cierto, podemos estimar la contribuci¨®n de dicho campo a la energ¨ªa oscura del universo. El resultado es cincuenta y tantos ¨®rdenes de magnitud mayor que lo que los cosm¨®logos observan. Casi la mayor contradicci¨®n de todos los tiempos, un desastre maravilloso, como solo puede darse en la ciencia b¨¢sica¡±.

Mientras tanto, entre los experimentales, los equipos del Atlas y del CMS contin¨²an compitiendo ferozmente por ser los primeros en obtener los mejores datos y, a ser posible, los descubrimientos. ¡°Pero el CERN no permite una competencia sin reglas, porque la competencia es buena excepto cuando la pagas con la calidad de los resultados¡±, advierte el veterano Froidevaux. De momento comparten la gloria de haber encontrado una pieza clave del universo.

¡°No me pregunta a qui¨¦n deber¨ªa darse el Premio Nobel por el descubrimiento¡±, concluye Glashow. ¡°Yo creo que se lo merece el CERN: aunque mucha gente no sabe que, de acuerdo con la interpretaci¨®n vigente del legado de Nobel, se puede dar el galard¨®n a una instituci¨®n y no s¨®lo una o m¨¢s personas individuales, como hasta ahora en F¨ªsica¡±. Ser¨ªa el m¨¢ximo galard¨®n de ciencias a repartir entre varios miles de personas.