El bos¨®n de Higgs: el largo camino de un descubrimiento fundamental

Ha tenido que pasar casi medio siglo para que una propuesta te¨®rica elaborada para explicar una propiedad fundamental de la naturaleza haya sido confirmada experimentalmente. El descubrimiento del bos¨®n de Higgs en 2012 en el CERN, el Centro Europeo para la Investigaci¨®n en F¨ªsica de Part¨ªculas, ha motivado la reciente concesi¨®n del Premio Nobel de F¨ªsica de este a?o a los f¨ªsicos te¨®ricos Peter Higgs y Fran?ois Englert por su descubrimiento te¨®rico con una menci¨®n especial a los experimentos ATLAS y CMS del CERN por su constataci¨®n experimental. Una noticia extraordinaria para la ciencia fundamental y en particular para la f¨ªsica de part¨ªculas.

A mediados del siglo pasado se desarrollaron los cimientos de lo que hoy se conoce como el Modelo Est¨¢ndar de la F¨ªsica de Part¨ªculas. Principios b¨¢sicos de simetr¨ªa permitieron desarrollar una teor¨ªa de gran belleza y simplicidad matem¨¢tica que con unos pocos elementos era capaz de describir las leyes fundamentales que rigen el comportamiento de la naturaleza a nivel microsc¨®pico, las part¨ªculas elementales y sus interacciones, y lo que es m¨¢s importante, realizar predicciones concretas que fueron confirm¨¢ndose experimentalmente con gran precisi¨®n.

Sin embargo, un ingrediente esencial, la masa de las part¨ªculas elementales, se resist¨ªa a ser incorporado en la teor¨ªa ya que romp¨ªa su simetr¨ªa subyacente. Se hizo necesario introducir un proceso externo que a partir de una teor¨ªa sim¨¦trica produjese un mundo asim¨¦trico. En 1964 se propuso un mecanismo para dotar de masa a las part¨ªculas elementales consistente en la interacci¨®n de las part¨ªculas sin masa, resultantes de la Teor¨ªa Est¨¢ndar, con un medio uniforme e imperceptible que supuestamente permea el universo. A trav¨¦s de esta hipot¨¦tica interacci¨®n las part¨ªculas elementales adquieren inercia, una resistencia a ser aceleradas proporcional a su masa, que las libera de verse abocadas a moverse siempre a la velocidad m¨¢xima de la naturaleza, como deben hacerlo las part¨ªculas sin masa, como las part¨ªculas de la luz. Gracias a esta propiedad se pudieron formar los ¨¢tomos, todas las estructuras del universo y nosotros mismos.

Un elemento fundamental del mecanismo propuesto fue la predicci¨®n concreta y en principio constatable de la existencia de una nueva part¨ªcula elemental, el bos¨®n de Higgs, transmisora de la interacci¨®n. Durante d¨¦cadas, f¨ªsicos experimentales de part¨ªculas, organizados en colaboraciones internacionales cada vez m¨¢s extensas y en experimentos de complejidad creciente, se lanzaron a la b¨²squeda de la nueva part¨ªcula. La comunidad de f¨ªsicos te¨®ricos fue realizando c¨¢lculos cada vez m¨¢s precisos sobre los modos de generaci¨®n y desintegraci¨®n del hipot¨¦tico bos¨®n que ayudaron a enfocar los experimentos. ?ste es un ejemplo paradigm¨¢tico de la fruct¨ªfera colaboraci¨®n y sinergia entre teor¨ªa y experimento. Unas veces, como en este caso, la teor¨ªa va por delante marcando el camino y otras veces el experimento realiza descubrimientos inexplicables bajo el marco te¨®rico existente, como por ejemplo la observaci¨®n de la expansi¨®n acelerada del universo, que estimulan desarrollos te¨®ricos posteriores e incluso a veces desencadenan revoluciones cient¨ªficas. El experimento juega el papel prominente de certificador. Una propuesta te¨®rica no es m¨¢s que un bello ejercicio matem¨¢tico hasta que sus predicciones son constatadas experimentalmente. En el caso del bos¨®n de Higgs, el planteamiento te¨®rico ha tenido que esperar casi cincuenta a?os hasta que el complejo desarrollo experimental necesario para su verificaci¨®n ha podido ponerse en marcha. En el mismo proceso, los experimentos han ido descartando toda una variedad de (super)teor¨ªas que predec¨ªan nueva F¨ªsica m¨¢s all¨¢ de la Teor¨ªa Est¨¢ndar, aunque a¨²n quedan otras muchas por evidenciar o excluir.

?La b¨²squeda del bos¨®n de Higgs ha sido ardua. C¨¢lculos te¨®ricos y resultados experimentales fueron estrechando el cerco. Aceleradores de part¨ªculas como LEP, en el CERN, y Tevatron, en Fermilab, con en principio potencial suficiente para generar la elusiva part¨ªcula, se quedaron a las puertas de la gloria. Se hizo necesario construir una m¨¢quina a¨²n m¨¢s potente, el Large Hadron Collider (LHC), con la energ¨ªa e intensidad suficientes como para estar en disposici¨®n de producir y detectar la part¨ªcula predicha.

El reto tecnol¨®gico del LHC y de sus experimentos ha sido de dimensiones colosales. Se trata de posiblemente la instalaci¨®n experimental m¨¢s grande y compleja jam¨¢s construida. El tiempo empleado en esta empresa, m¨¢s de una d¨¦cada de dise?o seguida de diez a?os de construcci¨®n y cuatro a?os de puesta a punto, operaci¨®n y an¨¢lisis de datos, muestra las dimensiones del proyecto en el que han participado m¨¢s de diez mil cient¨ªficos e ingenieros provenientes de m¨¢s de cien pa¨ªses y cientos de universidades y laboratorios. LHC ha sido capaz de acelerar protones hasta velocidades pr¨®ximas a la de la luz adquiriendo una energ¨ªa inalcanzable hasta la fecha. Los protones son confinados en una trayectoria circular de 27 kil¨®metros usando electroimanes enfriados a una temperatura cercana al cero absoluto y circulan a trav¨¦s de un tubo al que se ha practicado un ultra-vac¨ªo cuya presi¨®n es diez veces inferior a la existente en la superficie de la luna. Cerca de 500 millones de colisiones se producen cada segundo en el centro de los detectores ATLAS y CMS. Esta enorme tasa de colisi¨®n junto con la elevada energ¨ªa son necesarias para tener la posibilidad de generar y detectar bosones de Higgs en un tiempo razonablemente inferior a la vida media de los experimentadores. Los detectores son m¨¢quinas de un tama?o de decenas de metros, miles de toneladas de peso y precisi¨®n microm¨¦trica. Son capaces de examinar las colisiones en tiempo real en cuesti¨®n de microsegundos y seleccionar una en un mill¨®n. Las colisiones registradas han sido procesadas y analizadas en una innovadora infraestructura de computaci¨®n creada para tal fin cuyos recursos est¨¢n distribuidos por todo el mundo e interconectados a trav¨¦s de Internet y que ha permitido producir resultados en tiempo r¨¦cord.

La observaci¨®n del bos¨®n de Higgs ha sido ciertamente uno de los descubrimientos m¨¢s importantes de la F¨ªsica en las ¨²ltimas d¨¦cadas. Quiz¨¢s la tradici¨®n de no conceder el premio Nobel a instituciones haya hecho que este a?o teor¨ªa y experimento no puedan ir de la mano en diciembre en Estocolmo. Hoy en d¨ªa los experimentos son tan complejos y extendidos en el tiempo que se hace imposible destacar una figura representativa. El propio Peter Higgs ha manifestado que el CERN se merece el galard¨®n. Quiz¨¢s este reconocimiento al acelerador y a los experimentos que han hecho posible este descubrimiento est¨¦ a¨²n por llegar, pero lo que nos motiva en nuestro trabajo no es el Nobel, sino la curiosidad.

Jos¨¦ Mar¨ªa Hern¨¢ndez Calama es investigador del CIEMAT y miembro del experimento CMS del CERN.