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Bosón de Higgs: diez años después de su descubrimiento, por qué esta partícula podría desbloquear una nueva física más allá del modelo estándar

Hace diez años, los científicos anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs, lo que ayuda a explicar por qué las partículas elementales (los bloques de construcción más pequeños de la naturaleza) tienen masa. Para los físicos de partículas, fue el final de un viaje extremadamente difícil y de décadas de duración, y posiblemente el resultado más importante en la historia del campo. Pero este final también marcó el comienzo de una nueva era de la física experimental.

Durante la última década, las mediciones de las propiedades del bosón de Higgs han confirmado las predicciones de modelo estándar de física de partículas (nuestra mejor teoría para las partículas). Pero también planteó preguntas sobre los límites de este modelo, por ejemplo, si existe una teoría de la naturaleza más fundamental.

Físico pedro higgs predijo el bosón de Higgs en una serie de artículos entre 1964 y 1966, consecuencia inevitable del mecanismo responsable de la masa de las partículas elementales. Esta teoría sugiere que las masas de las partículas son consecuencia de la interacción de las partículas elementales con un campo, llamado campo de Higgs. Y de acuerdo con el mismo modelo, dicho campo también debería dar lugar a una partícula de Higgs, lo que significa que si el bosón de Higgs no estuviera allí, en última instancia, se falsearía toda la teoría.

Pero pronto quedó claro que encontrar esta partícula sería difícil. Cuando tres físicos teóricos calcularon las propiedades de un bosón de Higgs, concluyeron con una disculpa. «Pedimos disculpas a los experimentadores por no tener idea de la masa del bosón de Higgs… y por no estar seguros de sus acoplamientos con otras partículas… Por estas razones, no queremos fomentar grandes investigaciones experimentales sobre el bosón de Higgs».

Fue necesario hasta 1989 para que el primer experimento con una posibilidad seria de encontrar el bosón de Higgs comenzara su búsqueda. La idea era aplastar partículas con una energía tan alta que se podría crear una partícula de Higgs en un túnel de 27 km de largo en Cern en Ginebra, Suiza, el mayor colisionador de electrones y positrones (un positrón es casi idéntico a un electrón pero tiene una carga opuesta ) nunca construido. Funcionó durante 11 años, pero su energía máxima resultó ser solo un 5% demasiado baja para producir el bosón de Higgs.

Mientras tanto, el colisionador estadounidense más ambicioso de la historia, el Tevatrón, había comenzado a tomar datos en Fermilab, cerca de Chicago. El Tevatron hizo colisionar protones (que, junto con los neutrones, constituyen el núcleo atómico) y antiprotones (casi idénticos a los protones pero de carga opuesta) con una energía cinco veces mayor que la obtenida en Ginebra, seguramente suficiente para fabricar el Higgs. Pero las colisiones protón-antiprotón producen muchos desechos, lo que hace que sea mucho más difícil extraer la señal de los datos. En 2011, el Tevatron cesó sus operaciones: el bosón de Higgs nuevamente escapó a la detección.

En 2010, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) comenzó a colisionar protones con siete veces más energía que el Tevatron. Finalmente, el 4 de julio de 2012, dos experimentos independientes en el CERN recolectaron suficientes datos para declarar el descubrimiento del bosón de Higgs. Al año siguiente, Higgs y su colaborador François Englert ganó el premio nobel «por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestra comprensión del origen de la masa de las partículas subatómicas».

Esto casi lo vende corto. Sin el bosón de Higgs, todo el marco teórico que describe la física de partículas en sus escalas más pequeñas se derrumba. Las partículas elementales no tendrían masa, no habría átomos, humanos, sistemas solares ni estructura en el universo.

Problemas en el horizonte

Sin embargo, el descubrimiento planteó nuevas preguntas fundamentales. Los experimentos en el CERN han continuado investigando el bosón de Higgs. Sus propiedades determinan no solo las masas de las partículas elementales, sino también su estabilidad. En su forma actual, los resultados indican que nuestro universo no está en un estado perfectamente estable. En cambio, como el hielo que se derrite, el universo podría sufrir repentinamente una rápida «transición de fase». Pero en lugar de pasar de un sólido a un líquido, como el hielo que pasa al agua, significaría cambiar las masas, y las leyes de la naturaleza, en el universo de una manera crucial.

El hecho de que el universo, sin embargo, parezca estable sugiere que puede haber algo que falta en los cálculos, algo que aún no hemos descubierto.

Después de una pausa de tres años para mantenimiento y actualizaciones, las colisiones en el LHC están a punto de reanudarse con una energía sin precedentes, casi el doble de la utilizada para detectar el bosón de Higgs. Esto podría ayudar a encontrar las partículas faltantes que alejan a nuestro universo del límite aparente entre ser estable y experimentar rápidamente una transición de fase.

La experiencia también podría ayudar a responder otras preguntas. ¿Podrían las propiedades únicas del bosón de Higgs convertirlo en un portal para el descubrimiento de la materia oscura, el material invisible que constituye la mayor parte de la materia del universo? Como muchas partículas elementales, la materia oscura no tiene carga. y el bosón de Higgs tiene una manera única de interactuar con materia sin carga.

Las mismas propiedades únicas hacen que los físicos se pregunten si el bosón de Higgs es una partícula fundamental después de todo. ¿Podría haber una nueva fuerza desconocida más allá de las otras fuerzas de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte? ¿Quizás una fuerza que une partículas hasta ahora desconocidas en un objeto compuesto que llamamos bosón de Higgs?

Tales teorías pueden ayudar a resolver el controvertido problema resultados de mediciones recientes lo que sugiere que algunas partículas no se comportan exactamente como sugiere el modelo estándar. Por lo tanto, el estudio del bosón de Higgs es esencial para determinar si hay alguna física por descubrir más allá del Modelo Estándar.

Eventualmente, el LHC encontrará el mismo problema que el Tevatron. Las colisiones de protones están desordenadas y la energía de sus colisiones solo llegará hasta cierto punto. Aunque tenemos a nuestra disposición todo el arsenal de la física de partículas moderna, incluidos detectores sofisticados, métodos de detección avanzados y aprendizaje automático, hay un límite para lo que el LHC puede lograr.

Un futuro colisionador de alta energía, diseñado específicamente para producir bosones de Higgs, permitiría medir con precisión sus propiedades más importantes, incluida la forma en que el bosón de Higgs interactúa con otros bosones de Higgs. Esto, a su vez, determinaría cómo interactúa el bosón de Higgs con su propio campo. Por lo tanto, estudiar esta interacción podría ayudarnos a probar el proceso subyacente que da masa a las partículas. Cualquier desacuerdo entre la predicción teórica y una medición futura seria una clara señal que tenemos que inventar toda una nueva física.

Estas mediciones tendrán un impacto profundo que irá mucho más allá de la física del colisionador, guiando o restringiendo nuestra comprensión del origen de la materia oscura, el nacimiento de nuestro universo y, quizás, su destino final.

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