Partícula Higgs-boson y el origen del universo

Físicos del CERN alegan haber encontrado la que sería la partícula que originó al Universo

Hoy 4 de julio, a las 4:45 a.m. tiempo local de Nueva York, dentro de una librería del campus Manhattan de la Universidad de Columbia, Micheal Tuts estaba listo para destapar la champaña.

El físico tenía buena razones para celebrar: el equipo masivo de científicos del que es parte (3 mil investigadores trabajando en el experimento ATLAS) que trabaja en el Gran Colisionador de Hadrones de Europa, ha anunciado el descubrimiento de una nueva partícula.

Esta partícula se extremadamente similar a la tan anhelada y siempre hipotética partícula Higgs-Boson (bosón de Higgs), famosa por explicar bajo un modelo teórico el cómo las partículas elementales, como los quarks, tienen masa, lo que podría explicar la manera en que se originó el Universo.

Un equipo realizó un experimento competente y comparable en tamaño al del ATLAS, llamado CMS, llegó a un descubrimiento parecido en su complejo de colisionamiento.

Ambos equipos de investigación anunciaron sus resultados durante el seminario matutino de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en ingles), el laboratorio europeo para fisicos nucleares y de partículas que operan el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés).

El anuncio de la mañana en Génova, donde se encuentra el CERN, significó que científicos de todo el mundo estaban al tanto y monitoreando la noticia durante las horas previas.

Tuts y sus colegas de Columbia decidieron, así, ser anfitriones del monitoreo noticioso que se celebró en la librería del campus, donde un video en vivo, cuyo servidor está en el CERN, se proyectó mientras especialistas degustaban de café, bebidas, y aperitivos.

Cerca de 50 personas, muchos de ellos estudiantes, estaban al tanto del evento, que empezó a las 2:30 a.m., hora del Este.

Al contrario de circunstancias pasadas centradas en la partícula o bosón de Higgs en años pasados, que se produjeron con ambigüedad y confusión acerca del tema, este evento no decepcionó:

Los científicos del experimento ATLAS dijeron que  las información resultantes más reciente reveló la presencia de una partícula desconocida con una masa alrededor de 12.5 GeV, o 126. 5 millones de electrón-voltios.

Un electrón-voltio es la unidad de la física de masa de energía; en comparación, el protón tiene una masa cerca de 1GeV.

Crucialmente, los hallazgos de ambos equipos parecen ser demasiado grandes. En término físicos, la evidencia de una nueva partícula requiere de una medida de 3-sigma, correspondiente una probabilidad en 740 de encontrar un factor al azar que explique las observaciones.

Una reclamación de descubrimiento, en este caso, requiere de una medida de 5-sigma, o una posibilidad en 3.5 millones de que las observaciones se deben al azar.

Esto significa que un descubrimiento debe realizarse bajo una circunstancia azarosa del encuentro que explique observaciones anteriores sobre la teoría en cuestión.

Es por eso cuando en diciembre pasado, los dos experimentos habían anunciado lo que llamaron como «pistas intrigantes y tentadoras» de algo que se asomaba en la data del colisionador.

Pero dichas pistas habían caído por debajo del nivel 3-sigma.

Este nuevo descubrimiento del ATLAS no sólo pasó el estándar de evidencias, sino que pasó sin problemas el estándar de descubrimiento de 5-sigma, y el CMS obtuvo un 4.9-sigma.

«Esta es la paga» dijo Tuts después que los dos equipos anunciaron sus últimos análisis de la caza de la Higgs.

«Esto es para lo que haces» dijo el mismo Peter Higgs, quien creó la teoría sobre la partícula elemental del universo, y quien estuvo en Génova para el seminario junto con otros físicos eminentes del campo que desarrollaron la teoría.

«Para mí, es realmente una cosa increíble que haya pasado en mi vida» dijo Higgs a la audiencia del CERN.

El físico estaba a lado de los teóricos que en 1960  propusieron lo que se llama ahora el mecanismo Higgs, cuya hipótesis es la existencia de un campo permeando todo el espacio, junto con una partícula asociada.

Este campo imparte partículas con masa ejerciendo una especie de arrastre sobre ellas, ralentizándolas de la misma manera en que un ser humano disminuye su caminata cuando se sumerge en el agua; la expansión del Universo.

La nueva partícula encaja con el esquema del bosón de Higgs, pero los investigadores advirtieron que un mayor trabajo es necesario para comparar las propiedades de la partícula a las predichas para la Higgs.

Después de todo, los detectores del LHC no pueden identificar directamente a la partícula Higgs: el gran colisionador acelera protones hacia energías sin precedentes de 4 mil millones de millones de electrón-voltios (4 TeV), antes de colisionar un rayo de protón que viaja bajo cronómetro con un rayo que viaja en sentido contrario.

De las partículas que emergen a partir del choque, algunas de ellas existen por un instante antes de decantarse en otras partículas.

En el caso de la Higgs, los físicos solo pueden inferir su existencia y propiedades de las demás partículas mundanas en las que se desintegra y produce, como fotones de rayos gamma o pares de electrones.

La nueva partícula tiene la masa correcta para ser la Higgs y, en términos generales, se desintegra como se predijo lo hace la Higgs, aunque algunas ambigüedad permanecen.

«Sólo hemos registrado un tercio de la información esperada en 2012» dijo la portavoz del ATLAS, Fabiola Gianotti del CERN, durante la presentación.

«Este es sólo el comienzo. Hay más por venir» dijo Gianotti.

¿Qué es el bosón de Higgs?

El bosón de Higgs es una de las piezas finales del acertijo requerido para una entendimiento cabal de los modelos estándar de la física: la teoría hasta ahora exitosa que explica el cómo las partículas fundamentales interactúan con las fuerzas elementales de la naturaleza.

La llamada partícula de Dios fue propuesta en los sesenta por Peter Higgs para explicar el porqué algunas partículas, como los quarks (bloques de protones constructores de energía) y electrones, tienen masa, mientras que otras, como los fotones, no la tienen.

La idea de P. Higgs es que el universo está bañado de un campo invisible similar a un campo magnético. Cada partícula llena este campo, conocido como campo Higgs, pero en diversos grados.

Si una partícula se puede mover a través de este campo con nula o poca interacción, no habrá arrastre de movimiento, y dicha partícula tendría una pequeña o nula masa.

Alternativamente, si una partícula interactúa significativamente con el campo Higgs, tendrá una masa mayor.

La idea del campo Higgs requiere la aceptación de una partícula relacionada: el bosón de Higgs.

De acuerdo al modelo estándar, si el campo Higgs no existe, el universo sería un lugar muy diferente al que conocemos, según Micheal Peskin, físico teórico del Laboratorio Nacional de Aceleración SLAC, de la Universidad de Stanford, quien no estuvo envuelto en el experimento ATLAS, estudio que anunció el descubrimiento de esta partícula el 4 de julio.

En las palabras de Peskin: no habrían galaxias, estrellas, planetas y una Tierra con vida en su superficie.

El Gran Colisionador de Hadrones

Enterrado debajo de la frontera de Francia y Suiza, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es esencialmente un tunel oval de 27 kilómetros de longitud.

Dentro, rayos de protones rotando en sentidos contrarios son acelerados a una velocidad cercana a la luz, usando un campo eléctrico antes de ser dirigidos magnéticamente para ser colisionados.

La partículas fundamentales, exóticas en los modelos de la fisica, algunas de las cuales no han existido desde la era del Big Bang, son creadas en estos choques de alta energía.

Pero estas partículas extrañas sólo se sostienen durante fracciones de segundo antes de desintegrarse en otras partículas ya conocidas y mundanas.

La teoría predice que la existencia del bosón de Higgs es demasiada fugaz para ser registrada por los instrumentos del LHC, pero los fisicos piensan que pueden confirmar su creación si pueden captar las partículas en las que se desintegra.

Ahora que el bosón de Higgs, o algo parecido, ha sido confirmado que ciertamente tiene una masa alrededor de 125 a 126 GeV (electrón-voltios, unidades de masa de energía, el protón tiene 1 GeV), los científicos tienen una mejor idea del porqué la «partícula de Dios» había evitado su detección por tanto tiempo.

Esta masa es lo suficientemente alta para estar fuera del alcance de los aceleradores de energía baja, como el predecesor del LHC: el Gran Colisionador de Electrones y Positrones, que sólo pudo probar la existencia de partículas de 115 GeV.

Pero al mismo tiempo, una masa de 125 GeV no es tan masiva por lo que produce partículas desintegradas tan inusuales que su detección sería una prueba clara de la existencia de la Higgs.

«Es realmente bueno para el modelo estándar que el bosón de Higgs tenga esa masa» dijo Fabiola Gianotti, portavoz del CERN (Laboratorio Nuclear Europeo), donde se encuentra el LHC.

«Porque tal masa la podemos medir en el LHC en un gran número de estados finales. Así que, gracias Naturaleza» dijo Gianotti en el anuncio que dio el CERN a las 3 de la mañana, tiempo del Este.