Este martes, equipos multinacionales de físicos que trabajan en dos experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por sus iniciales en inglés) anunciaron un paso enorme en la comprensión del universo, aunque lo que anunciaron suena casi incomprensible: detectaron experimentalmente que el bosón de Higgs —la 'partícula de Dios'— decae en dos quarks belleza.
A pesar de lo abstracto del evento, las consecuencias se anticipan inmensas: o bien se confirma con más solidez el llamado Modelo Estándar, la explicación más reconocida de cómo interactúan todas las partículas que componen el cosmos, o bien se determina que el modelo no alcanza a explicar todo, y se abre la puerta a una física todavía más exótica. Pero los físicos no han dejado de celebrar.
A primera vista, parecería un anuncio (y un festejo) incomprensible: el modelo predice que el decaimiento anunciado ¡es el más común para el bosón de Higgs! Pero en realidad la noticia es tan fundamental como las partículas de las que hablan los físicos de altas energías. Y la verdad, fue muy difícil llegar a este resultado.
La novedad fue anunciada por representantes de los dos experimentos o colaboraciones: ATLAS, siglas de Aparato Toroidal del LHC, un equipo de siete mil toneladas en el que colaboran alrededor de tres mil científicos e ingenieros de casi 40 países, y CMS, iniciales de Solenoide Compacto de Muones, un experimento aún más pesado (12 mil 500 toneladas) y equipado (4 mil 300 colaboradores de 42 países).
ATLAS y CMS son dos de los siete instrumentos montados sobre el anillo del Gran Colisionador de Hadrones, de 27 kilómetros de circunferencia y en el que los físicos aceleran partículas hasta que casi alcanzan la velocidad de la luz, para luego hacerlas chocar de frente. Estas colisiones producen cantidades prodigiosas de reacciones tan breves que se requieren sistemas de medición y análisis cuyo diseño y construcción han tomado décadas.
Este enorme y costoso anillo dio al mundo, a mediados de 2012, la noticia de que se había logrado detectar el bosón de Higgs, relevante porque, de ser cierto lo que piensan los físicos, cumple el papel de dar masa a las partículas subatómicas fundamentales.
¿Qué significa todo esto? Hace poco más de medio siglo, los físicos estaban dando forma al Modelo Estándar, pero encontraron una paradoja: los modelos predecían que todas las partículas debían carecer de masa. Esto era de plano impensable, así que los físicos se pusieron a razonar, y al fin tres equipos propusieron una solución teórica, y con el tiempo la que se consolidó fue la que lleva el nombre del físico británico Peter Higgs.
Sin mucho detallar, el planteamiento es que en cada rincón del universo actúa un campo, el llamado campo de Higgs (no es algo tan raro: así funciona el campo electromagnético). Las fluctuaciones de este campo interactúan con las partículas subatómicas fundamentales, y gracias a esta interacción las partículas tienen masa. Las que no tienen masa, como los fotones, no interactúan con el campo de Higgs.
Una de las consecuencias de considerar el campo de Higgs dentro del Modelo Estándar es que debía haber una partícula que fuera como la “representante” del campo de Higgs. Esta partícula es el bosón de Higgs, que al ser detectado en 2012 incrementó la confiabilidad del Modelo Estándar.
Pero se trata de una partícula muy escurridiza. La teoría dice que tiene una vida media del orden de un zeptosegundo, ¡la miltrillonésima parte de un segundo!). Comparado con este tiempo, un suspiro dura una eternidad. Es un tiempo tan corto que un bosón de Higgs recién formado se desintegra antes de haber recorrido una distancia más pequeña que un átomo.
Ni el instrumento más fino es capaz de ver directamente fenómenos tan fugaces. Pero los físicos de partículas habían resuelto este problema mucho antes, con otras partículas efímeras. De hecho, su trabajo no es ver partículas, sino ver el efecto de su desintegración, pues cada una en su corta existencia genera otras partículas, a las que se llama productos de decaimiento o desintegración.
Usando las teorías y los modelos acerca de cómo debía comportarse el ya citado bosón de Higgs, los físicos hicieron su lista, estimando que [1] en casi 60 por ciento de los casos, un bosón de Higgs debía decaer en dos quarks belleza; [2] en 21 por ciento de los casos, debía decaer en dos bosones W; [3] en 6 por ciento de los casos, debía decaer en dos leptones tau; [4] en 3 por ciento de los casos debía desintegrarse en dos bosones Z; [5] en 0.2 por ciento de los casos debía desaparecer creando dos fotones.
Cuando los físicos que trabajan en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN, el “hogar” del LHC), anunciaron la detección del bosón de Higgs, lo hicieron analizando desintegraciones de la partícula en bosones Z, bosones W y fotones, las reacciones [2], [4] y [5] del párrafo anterior. ¿Por qué ocurrió así, si las reacciones de este tipo ocurren en menos de 25 por ciento de los casos, menos que el 58-59 por ciento de las desintegraciones del tipo [1]? Por la sencilla razón de que esas reacciones se pueden identificar con más facilidad.
Esto de la facilidad es muuuy relativo. Dadas las características físicas del bosón de Higgs, la teoría dice que se produce una de estas partículas en cada mil millones de colisiones. O sea que se necesitan muchísimas colisiones para buscar entre todas ellas la que produce un bosón de Higgs.
Si esto no bastara para complicar el asunto, está el otro tema: la abrumadora mayoría de los productos de colisión en el anillo del Gran Colisionador de Hadrones se dan a través de fenómenos que involucran a la llamada fuerza nuclear fuerte, que lleva este nombre porque es la responsable de que los núcleos de los átomos estén unidos. Y en estos fenómenos una forma de desintegración muuuy común es la producción de pares de quarks belleza.
Dicho de otro modo, en cada racimo de desintegraciones captado por los instrumentos del LHC abundan los fenómenos que producen dos quarks belleza. El inmenso anillo es como un inmenso pajar lleno de agujas, pero donde es casi imposible determinar cuál de esas agujas es derivada de la desintegración de un bosón de Higgs. ¡Menudo problema!
Después de mucho pensar, los físicos repitieron la receta. Ya no buscaron el bosón de Higgs directamente (¡imposible!). Ya no buscaron los pares de quarks belleza derivados del decaimiento de un bosón de Higgs (¡casi imposible!). Lo que hicieron fue buscar una producción asociada, nombre que recibe una colisión en la que, además de producirse un bosón de Higgs, también se produce un bosón W o un bosón Z. Y esto se decisión porque captar dichos bosones, junto con la aparición del par de quarks belleza, es algo todavía muy difícil pero definitivamente alcanzable.
Los físicos tienen una especie de taquigrafía. En ella escribieron el evento que estaban buscando: pp--> H(-->bb)+W(-->mn). ¿Qué diablos es esto? A pesar de que parece ilegible, en realidad no es tan complicado: buscaban un evento en el que, al hacer chocar de frente dos protones (pp) se obtuvieran como productos un bosón de Higgs (H) [que se desintegrara en dos quarks belleza (bb)] más un bosón W (W) que a su vez se desintegrara en un muón (m) y un neutrino (n).
Una tercera complicación es lo que podríamos llamar la confiabilidad de los resultados. Si vemos al cielo, nos daremos cuenta de que las estrellas titilan. Esto se debe a que la atmósfera terrestre no es estática, sino siempre cambiante, y eso introduce ruido en la observación (por eso las imágenes del telescopio espacial Hubble son mucho mejores, pues el aparato está en el espacio, libre de la distorsión causada por nuestra atmósfera).
En el caso del LHC, cada anuncio requiere que se observen los fenómenos con un nivel de confiabilidad de cinco sigmas (o cinco desviaciones estándar, en lenguaje estadístico), una forma de decir que las señales captadas sean tan confiables que la posibilidad de que se deban a una distorsión sea muy pequeña. Cinco sigmas significa que la probabilidad de que lo observado se deba a una fluctuación estadística sea de una en 350 millones.
Esto fue lo que los alegres físicos del CERN anunciaron con bombo y platillos apenas el martes. Captaron un fenómeno tan fugaz y difícil de observar con un gran nivel de confiabilidad y muy ajustado a lo que predecía la teoría. Ahora esperan que este avance les abra la puerta a una lluvia de nuevos descubrimientos, y se sienten un paso más allá en la concepción de un modelo que, ahora sí, permita dar cuenta de todo lo que sus aparatos pueden “ver”.
En 1927, el genetista británico J. B. S. Haldane dijo: “Sospecho que el universo no solo es más extraño de lo que suponemos, sino más extraño de lo que podemos imaginar”. El descubrimiento del CERN nos dice que usando la ciencia podemos desentrañar ese universo, por más que sea cada vez más extraño.
Si deseas entender en palabras más sencillas este descubrimiento, te recomendamos la versión simplificada de esta nota, disponible aquí.
FM