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8 DICIEMBRE 2016
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El bosón de Higgs, más cerca que nunca

Juan Rojo (TH Unit, PH Division, CERN)

La última vez que el CERN anunció el descubrimiento de una nueva partícula elemental fue en 1983, con los bosones W y Z, mediadores de la interacción electrodébil. En 1995 el acelerador Tevatron en Chicago presentó el descubrimiento del quark top, el más pesado de los seis quarks conocidos hasta ahora. Se comprende bien la importancia del anunció de ayer: desde hace más de 15 años que no se descubría ninguna nueva partícula elemental, y desde hace casi 30 que un acontecimiento de tal magnitud no tenia lugar en el CERN.

Las nuevas medidas fueron presentadas por los dos experimentos principales del LHC, llamados ATLAS y CMS. El primero en anunciar sus resultados fue ATLAS, dirigido por la italiana Fabiola Gianotti. ATLAS observa excesos en sus datos en comparación con lo que se espera del ruido de fondo en una región centrada alrededor de una masa del Higgs de 126 giga-electrovoltios (GeV), donde un GeV es aproximadamente la masa del protón. Como buscar una aguja en un pajar cuántico: es necesario combinar la información del máximo número de canales de desintegración posibles. Un exceso de entre 2 y 3 sigma se observa de manera consistente en los tres canales de búsqueda principales, donde el Higgs de desintegra en dos bosones electrodébiles (fotones, W y Z).

Para entender estos resultados, es necesario recordar que toda medida experimental tiene un error asociado, y determinar este error de modo preciso es crucial para asociar una significación estadística a esta medida, y así poder distinguir la señal que nos interesa de las fluctuaciones del ruido de fondo. Por ejemplo, cuando decimos que una medida de ATLAS corresponde a una significación de "3-sigma", esto quiere decir que la probabilidad de que la señal observada sea solo una fluctuación estadística es pequeña, menor del 0.2%, pero no despreciable. La convención tradicional es esperar a clamar "descubrimiento" solo cuando la medida sea precisa al nivel de "5-sigma", esto es, que la probabilidad de que el ruido de fondo esté emulando la señal sea menor que una parte en 20 millones. El estudio de los datos en los próximos meses mostrará si la señal observada se confirma o si en realidad correspondía solo a una fluctuación.

Otro resultado muy interesante es que ATLAS excluye un bosón de Higgs a 115 GeV. Durante el último año de operación de LEP, el gran colisionadores de electrones y positrones que precedió a LHC, se observó un exceso de señal en el límite de la capacidad del acelerador alrededor de 114 GeV. Los físicos de LEP pidieron más tiempo para estudiar esta posible señal del bosón de Higgs, pero la dirección del CERN decidió cancelar LEP para continuar con la construcción del LHC. Con retrospectiva, ésta fue la decisión adecuada, ya que la señal del LEP era solamente una fluctuación estadística más.

A continuación, Guido Tonelli presentó los resultados del experimento CMS. Siguiendo las líneas de ATLAS, CMS ha estudiado un conjunto grande de posibles canales, encontrando un ligero exceso en todos ellos, con una significación baja pero consistente en la misma dirección. Combinando todos los análisis la hipótesis de un bosón de Higgs con masa de 124 GeV es la preferida por los datos, con una significación de entre 2 y 3 sigma en función de los detalles del tratamiento estadístico.

En resumen, ATLAS y CMS han limitado el posible rango de masas para el bosón de Higgs a entre 115 y 130 GeV aproximadamente, y observan un exceso de eventos consistente con el Higgs en la región aún permitida, con una significación de entre 2 y 3 sigma. Por lo tanto el Higgs se encuentra más acorralado que nunca, pero el jurado aún debe decidir. El exceso observado por ATLAS y CMS es muy remarcable pero harán falta todos los datos de 2012 para poder establecer el descubrimiento del bosón de Higgs con una significación de 5 sigma, y en particular la combinación de los datos de ATLAS y CMS. De todas maneras, el hecho de que los dos experimentos por separado favorezcan un Higgs con una masa similar es extremadamente sugestivo.

Las implicaciones del descubrimiento del bosón de Higgs, siempre y cuando sean confirmadas por los datos de los próximos meses, serán enormes. Desde el punto de vista de la física, la presencia del bosón de Higgs valida de manera concluyente el Modelo Estándar de la física de partículas, junto con la Teoría Cuántica de los Campos en que este modelo está basado, y además sugiere que existen nuevas partículas e interacciones al alcance de los detectores del LHC en los próximos años: supersimetría, dimensiones del espacio-tiempo adicionales, nuevas interacciones fuertes o resonancias. Habrá también importantes consecuencias para la astrofísica y la cosmología y para nuestra comprensión de la materia oscura, que podría ser producida y detectada en el LHC. Finalmente, tendremos una comprensión mucho mayor del origen de las masas de las partículas elementales y de los mecanismos por los que estas masas se generan. En los próximos años el LHC doblará la energía a que colisiona los protones a velocidades cercanas a las de la luz, lo que permitirá estudiar distancias aún más pequeñas y testar un número cada vez mayor de nuevas teorías físicas.

Desde el punto de vista de la política científica, el descubrimiento del bosón de Higgs a baja masa sería un argumento muy fuerte para motivar la construcción del siguiente gran acelerador, un colisionador lineal de electrones y positrones con energías de hasta 3 tera-electronvoltios (1 TeV son 1000 GeV), donde las propiedades físicas del bosón de Higgs y de ulteriores nuevas partículas que podría descubrir el LHC serían estudiadas con enorme precisión. En el clima actual de inestabilidad financiera la ciencia básica no está exenta de recortes, y por ello el futuro del nuevo acelerador lineal parecía incierto, pero el bosón de Higgs ayudaría muchísimo para planificar el futuro de la física de partículas en los próximos años. Un futuro que solo puede nacer de la colaboración global de instituciones en el mayor número posible de países. Finalmente, el descubrimiento del Higgs mostraría el innegable éxito del ingente esfuerzo científico, tecnológico y organizativo que ha sido necesarios para diseñar, construir y operar el LHC, una aventura que ha involucrado decenas de miles de personas de los cinco continentes durante más de veinte años, y nos permite confiar en que la estrategia "Big Science" para estudiar la realidad física es aún válida para la física teórica.

Después de estos resultados, la física de partículas se presenta en los próximos años como una aventura verdaderamente fascinante, en la que algunas de nuestras preguntas más fundamentales sobre nuestro origen y sobre la estructura de la realidad natural empezarán a poder ser respondidas. Pero en días tan destacables como éste es también justo reconocer que nuestra capacidad de interrogar a la realidad hasta estos niveles tan profundos, y de encontrar una respuesta, se revela tan o más fascinante que el descubrimiento de una nueva partícula elemental.

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