Lo que el bosón de Higgs esconde diez años después de su descubrimiento

Pero de eso hace ya 58 años. Y lo cierto es que el bosón, que terminó por llevar el nombre de Peter Higgs , no pudo ser descubierto hasta el 4 de julio de 2012, hace exactamente una década y gracias a las capacidades mejoradas del LHC, el mayor acelerador del mundo, que entonces daba comienzo a su segunda ronda de actividad, o Run 2. El hallazgo fue celebrado como el de la pieza final del rompecabezas que completaba el Modelo Estándar , la gran teoría que describe una por una todas las partículas que dan forma a 'la realidad' y a las cuatro fuerzas que las gobiernan. Apenas un año después, en 2013, Higgs y Englert compartieron el premio Nobel de Física .

"El descubrimiento del bosón de Higgs -afirma ahora Fabiola Gianotti, directora general del CERN y portavoz del experimento ATLAS en el momento del hallazgo- fue un hito monumental en la física de partículas. Marcó tanto el final de un viaje de exploración de décadas como el comienzo de una nueva era de estudios de esta partícula tan especial. Recuerdo con emoción el día del anuncio, un día de inmensa alegría para la comunidad mundial de física de partículas y para todas las personas que trabajaron incansablemente durante décadas para hacer posible aquel descubrimiento".

El bosón de Higgs es la manifestación en forma de partícula de un campo cuántico omnipresente, el Campo de Higgs , que es fundamental para describir el Universo tal y como lo conocemos. Sin ese campo, que permea el Universo entero desde los primeros instantes de su existencia (la décima parte de la primera billonésima de segundo después del Big Bang), las partículas elementales como los quarks, de los que están hechos los protones y neutrones de los núcleos atómicos, no tendrían masa. Como tampoco la tendrían las masivas partículas que transportan la fuerza nuclear débil, los bosones W, que entre otras cosas se encargan de iniciar las reacciones nucleares que alimentan al Sol. En otras palabras, sin el campo de Higgs y su bosón asociado, el Universo sería completamente distinto de lo que es. Desde luego, no habría ni una sola estrella o planeta en él.

Sin embargo, y una década después del gran descubrimiento, seguimos sin conocer demasiado bien el Higgs. Y nuestra comprensión sobre las partículas y fuerzas que dan forma al Universo sigue siendo manifiestamente imperfecta. Las grandes preguntas sin responder se agolpan en los laboratorios de los físicos que se afanan por contestarlas. Después de todo, no hay que olvidar que lo que sabemos sólo hace referencia a la 'materia ordinaria', de la que están hechos los planetas, las estrellas y las galaxias. Pero toda esa materia junta apenas supone un exiguo 5% del total. Y el Modelo Estandar no dice ni aclara nada sobre el 95% restante: la materia oscura, ese 'otro tipo' de materia que es cinco veces más abundante que la ordinaria (alrededor de un 27% del total del Universo); y la energía oscura, que da cuenta del restante 68% y que al parecer es responsable de que el Universo se expanda y crezca cada vez más deprisa.

En 2012 se esperaba que junto al Higgs aparecieran también nuevos 'ladrillos' de la materia, y quizá nuevas fuerzas que revelaran fenómenos exóticos inesperados y dieran pie a una 'nueva física' con la que abordar las numerosas cuestiones que aún permanecen abiertas. Pero no fue así. El Higgs se comporta exactamente como predice el Modelo Estándar. Es decir, que por lo que sabemos no nos ayudará a descubrir esa nueva física que se necesita para resolver las cuestiones pendientes. O puede que sí.

¿Es realmente el Higgs tan aburrido como parece? Lo cierto es que probablemente no. Un estudio más detallado de la partícula, creen los físicos, podría sacar a relucir su 'verdadero yo', con nuevas características, extraños parientes que algunos experimentos ya han intuido y toda una serie de partículas exóticas asociadas a él, cualquiera de las cuales sacudiría nuestra comprensión del Universo. Se trata, como ya ha comentado más de un investigador, de poner el Higgs sobre la mesa de operaciones y después diseccionarlo, cortarlo, pincharlo y analizarlo hasta conseguir que empiece a estar en desacuerdo con las teorías actuales.

Hoy, en dos estudios independientes que publica la revista Nature, ( aquí y aquí ) los físicos de las colaboraciones ATLAS y CMS, dos de los mayores instrumentos del gran colisionador de hadrones (LHC), donde se descubrió el célebre bosón, detallan los progresos que se han hecho desde 2012.

Para explotar al máximo todo el potencial de los datos, en estos diez años los físicos de ambos instrumentos han explorado un gran número de procesos complementarios en los que se produce el bosón de Higgs y luego se 'descompone' en otras partículas. En total, ambos equipos han analizado más de 10.000 billones de colisiones protón-protón dentro del acelerador, lo que produjo alrededor de ocho millones de bosones de Higgs , treinta veces más que en el momento en que se descubrió la partícula. Se trata, sin duda, del conjunto de medidas más preciso y detallado hasta la fecha de sus tasas de aparición, así como de la fuerza con la que el bosón interactúa con otras partículas conocidas.

“Después de solo diez años de exploración del bosón de Higgs en el LHC -explica Andreas Hoecker, portavoz de ATLAS-, los experimentos ATLAS y CMS han proporcionado un mapa detallado de sus interacciones con portadores de fuerza y partículas de materia. El Higgs está conectado directamente con cuestiones muy profundas relacionadas con la evolución del universo primitivo y su estabilidad, así como con el sorprendente patrón de masa de las partículas que conforman la realidad. El descubrimiento del bosón de Higgs ha provocado un emocionante, profundo y amplio esfuerzo experimental que se extenderá por todo el progrma del LHC".

"Dibujar tal retrato del bosón de Higgs tan temprano -dice por su parte el portavoz de CMS, Luca Malgeri- era impensable antes de que el LHC empezara a operar".

Al observar que los bosones de Higgs se descomponen en pares de bosones W y Z (las partículas portadoras de la fuerza nuclear débil), ATLAS y CMS han logrado confirmar que, efectivamente, esas partículas obtienen su masa a través de sus interacciones con el campo de Higgs, según lo predicho por el Modelo Estandar. La fuerza de esas interacciones explica el corto alcance de la fuerza débil, que es responsable de los fenómenos radiactivos de la Naturaleza.

Pero no solo eso. Los experimentos, además, han demostrado que los quarks 'top' y 'bottom' (los constituyentes de los protones y los neutrones), y el leptón tau , también obtienen su masa gracias al campo de Higgs, de acuerdo una vez más con el Modelo Estándar. Los investigadores consiguieron observar directamente cómo el bosón de Higgs se descomponía en combinaciones de esas partículas, confirmando así la existencia de una interacción o fuerza, llamada 'interacción de Yukawa' , que también forma parte del Modelo Estándar pero que, a diferencia de las demás fuerzas, está mediada por el Higgs.

ATLAS Y CMS midieron la masa del bosón de Higgs en 125.000 millones de electronvoltios, con una impresionante precisión de casi el uno por mil. La masa del Higgs es una constante fundamental de la Naturaleza que no está predicha por el Modelo Estándar. Junto con la masa de la partícula más pesada que se conoce, el quark top, la del Higgs puede ser determinante para la estabilidad del Universo.

Y hasta aquí el resumen de los resultados de una década de exploración en el colisionador más poderoso del mundo, el único lugar donde la partícula se puede producir y estudiar con detalle. Pero aún así, no es suficiente, y los físicos necesitan más, mucho más.

"Sorprendentemente -afirma el físico teórico del CERN Michelangelo Mangano-, todos los resultados del LHC obtenidos hasta ahora se basan en solo el 5% de la cantidad total de datos que el colisionador entregará durante su vida útil. Con esta ‘pequeña’ muestra', el LHC ha permitido grandes avances en nuestra comprensión de las partículas elementales y sus interacciones. Y si bien todos los resultados obtenidos hasta ahora son consistentes con el Modelo Estándar, todavía hay mucho espacio para nuevos fenómenos más allá de lo que predice esta teoría".

Sin embargo, y a pesar de lo impresionante de estos hallazgos, la opinión generalizada es que el bosón de Higgs no ha revelado aún todos sus secretos, y en el CERN están absolutamente decididos a descubrirlos en los próximos años. ¿Podría ser el Higgs el responsable también de la materia oscura? ¿Podrá el campo de Higgs otorgar su masa también a los fermiones más ligeros (hasta ahora solo se ha comprobado que lo hace con partículas muy pesadas), o aquí entra en juego algún otro tipo de mecanismo? Y sobre todo, ¿Será el bosón de Higgs una partícula elemental o estará compuesta a su vez de otras partículas? Sabemos que el campo de Higgs otorga su masa a las partículas, ¿Pero qué genera la masa del propio Higgs? ¿Interacciona quizá consigo mismo o existen otros 'parientes' hoy desconocidos? En este sentido, los resultados recién publicados ofrecen una pista, ya que proporcionan unos límites estrictos para una posible interacción del Higgs con otros Higgs, y también indicadores que apuntan a toda una serie de fenómenos nuevos y al margen del Modelo Estandar , entre ellos la posible desintegración del Higgs en las partículas invisibles que forman la materia oscura.

Hallar respuestas a estas y otras intrigantes preguntas nos daría una visión totalmente nueva del Universo en la escala subatómica, pero también podría ayudar a resolver algunos de los mayores misterios del Universo en su conjunto, cómo llegó a ser lo que es y cuál será su destino final. En particular, la interacción del Higgs consigo mismo podría ayudar a explicar por qué, y contra toda lógica, parece haber más materia que antimateria.

El nuevo desafío empieza mañana mismo. Después de tres largos años de actualizaciones y labores de mantenimiento, el Gran Colisionador de Hadrones se prepara para dar comienzo a su tercer período de actividad (Run 3), que en principio durará 4 años. Durante este tiempo, la potencia de las colisiones irá aumentando hasta alcanzar una energía récord de 13.600 millones de electronvoltios (3,6 Teraelectronvoltios o Tev), permitiendo una precisión sin precedentes y alentando nuevos descubrimientos.

Para ello, los cuatro grandes instrumentos del LHC han recibido importantes mejoras en los sistemas de detección y en sus capacidades para leer los datos. ATLAS y CMS, por ejemplo, esperan poder registrar durante este Run 3 más colusiones que durante sus dos periodos anteriores de funcionamiento juntos. El experimento LHCb, por su parte, ha sido totalmente renovado y busca ahora aumentar su tasa de toma de datos en un factor de 10, mientras que Alice, el cuarto detector, multiplicará por 50 el número de colisiones registradas.

Con estas armas, los físicos podrán ahora ahondar en la naturaleza del bosón de Higgs con una precisión que no tiene precedentes, analizar procesos que hasta ahora eran imposibles de observar y profundizar en los ya conocidos en busca de alguna sutileza que hubiera podido ser pasada por alto.

Durante los próximos cuatro años, los investigadores podrán estudiar las propiedades de la materia bajo temperaturas y densidades extremas, y buscar así nuevas partículas y fenómenos totalmente nuevos. Por ejemplo, podría existir más de un tipo de bosón de Higgs. En palabras de Mangano, "esperamos con ansia las mediciones del decaimiento del bosón de Higgs a partículas de segunda generación, como los muones. Este sería un resultado completamente nuevo en la saga del bosón, ya que confirmaría por primera vez que las partículas de segunda generación también adquieren masa a través del mecanismo de Higgs".

El Modelo Estándar ha sido, hasta ahora, la mejor descripción que tenemos de todas las partículas conocidas en el Universo y las formas en que interactúan, y ha resultado ser impresionantemente preciso. Desde su formulación en la década de 1970, ha sido una luz de guía para los físicos que estudian la materia. Generación tras generación, durante las cinco últimas décadas se han ido construyendo aceleradores cada vez más potentes y precisos, cada uno diseñado para encontrar las partículas predichas por el Modelo Estándar. Y una y otra vez, esas partículas aparecieron. Durante más de medio siglo, el Modelo Estándar ha sido la garantía que nos aseguraba que aún había algo por descubrir. Pero tras el hallazgo del bosón de Higgs en 2012, ese rompecabezas estrá completo. Y no hay demasiadas pistas que indiquen lo que viene después. Ahora, y sin esa guía, los físicos se han quedando solos, buscando en la oscuridad.

Todos sabían que ese momento llegaría. Y sabían también, desde el principio, que el Modelo Estándar, a pesar de su valor incalculable, no podía ser todo. Por ejemplo, el Modelo Estándar no puede explicar por qué hay más materia que antimateria en el Universo. Ni tampoco explica la materia oscura, ese material misterioso que impide que las galaxias se disgreguen, ni la energía oscura, que hace que la tasa de expansión del Universo acelere continuamente. Y luego está la gravedad, la única de las cuatro fuerzas de la naturaleza que se resiste a ser 'cuantificada'. Nadie, aún, ha conseguido identificar cuál es su partícula portadora. Si es que tiene una.

En términos más generales, el Higgs está conectado a muchos de los aspectos más problemáticos del Modelo Estándar. De hecho, es el eje de lo que parece ser una disposición aleatoria de masas en las partículas, que varía según la fuerza con la que cada una se acopla al bosón de Higgs. Los electrones, por ejemplo, son mucho más ligeros que sus partículas hermanas, los muones, que a su vez son mucho más ligeras que sus hermanas las partículas tau, y nadie sabe por qué. Un montón de números cuyo orden los físicos no entienden y que parecen no seguir ninguna ley concreta.

En el Modelo Estándar, la única diferencia entre electrones, muones y taus es la forma en que interaccionan con el Higgs. Y ese misterio en el origen de la masa de las partículas es lo que sugiere la existencia de una estructura más profunda, algo que podría revelarse estudiando el Higgs con más detalle. La idea es que, al medir con una mayor precisión esas interacciones, los científicos terminarán por encontrarse con 'inconsistencias' que el Modelo Estándar no puede explicar, el extremo de un hilo que les lleve, por fin, a una nueva física de mucho más alcance.

Así, y como en el célebre verso de Machado, 'caminante, no hay camino, se hace camino al andar', durante los próximos cuatro años la física de partículas luchará con su por tercera vez renovado acelerador, con la esperanza de volver a encontrar el suyo.