El bosón de Higgs: preguntas y respuestas

• Es una partícula hipotética, todavía no se ha podido probar su existencia
• Es clave para explicar por qué unas partículas elementales tienen masa

Una simulación del detector CMS del LHC, que muestra cómo se preveía que serían las trazas del bosón de Higgs.

¿Qué es el bosón de Higgs?

El bosón de Higgs es un tipo de partícula elemental que se cree tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa de todas las partículas del Universo.

La confirmación o refutación de su existencia es uno de los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés),  el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo que opera la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra.

¿Por qué es tan importante?

Es la única partícula predicha por el Modelo Estándar de Física de Partículas que aún no ha sido descubierta.  El Modelo Estándar describe perfectamente todo lo que sabemos de las partículas elementales y cómo interaccionan entre ellas, pero queda una parte importante del Modelo por confirmar, precisamente la que da respuesta al origen de la masa de las partículas.

Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos.

Para explicar por qué unas partículas tienen masa y otras no, el físico británico Peter Higgs postuló en los años 60 del siglo XX un mecanismo que se conoce como el “campo de Higgs”. Al igual que el fotón es el componente fundamental de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una partícula que lo componga, que los físicos llaman “bosón de Higgs”. Esta es la última pieza que falta para completar el Modelo Estándar.

¿Qué es un ‘bosón’?

Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son las partículas que componen la materia, mientras que los bosones portan las fuerzas o interacciones. 

Los componentes del átomo (electrones, protones y neutrones) son fermiones, mientras que el fotón, el gluón y los bosones W y Z, responsables respectivamente de las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, son bosones.

¿Cómo se busca el bosón de Higgs?

El bosón de Higgs no se puede detectar directamente, ya que una vez que se produce se desintegra casi instantáneamente dando lugar a otras partículas elementales más habituales.

“El bosón de Higgs se desintegra una vez que se produce, lo que se pueden ver son sus 'huellas'“

Lo que se pueden ver son sus “huellas”, esas otras partículas que podrán ser detectadas en el LHC.

En el interior del anillo del acelerador del CERN colisionan protones entre sí a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando se producen las colisiones en puntos estratégicos donde están situados grandes detectores, la energía del movimiento se libera y queda disponible para que se generen otras partículas. Cuanto mayor sea la energía de las partículas que chocan más masa tendrán las resultantes.

¿Qué se sabe hasta el momento del bosón de Higgs?

Búsquedas directas realizadas en anteriores aceleradores de partículas como el LEP del CERN y Tevatron, del Laboratorio Fermi de los Estados Unidos, establecieron que la masa del bosón de Higgs debe ser superior a los 114 GeV (gigaelectronvoltios; 1 gigaelectronvoltio equivale aproximadamente a la masa de un protón) y no puede estar entre los 158 y los 173 GeV.

Otras evidencias indirectas observadas en procesos físicos que involucran al bosón de Higgs descartaron una masa superior a 158 GeV.

Sin embargo, estos resultados no tienen la suficiente significación estadística como para ser considerados firmes. Esta significación estadística, que los físicos miden en “desviaciones estándar”, depende de la cantidad de datos acumulada: cuanto mayor sea este número, que se mide en una unidad llamada “femtobarn inverso”, mayor es la probabilidad de que una medida en Física de Partículas sea considerada un auténtico descubrimiento.

Los últimos resultados obtenidos, procedentes de 2.3 femtobarns inversos de datos acumulados en los dos grandes experimentos del LHC, ATLAS y CMS, durante 2010 y 2011, excluyen la presencia del bosón de Higgs en la región comprendida entre los 141 y 476 GeV, con un 95% de confianza, llegando al 99% en el rango entre 146 y 443 GeV.

Sin embargo, continúa la exploración en el rango más bajo de masas previsto en el Modelo Estándar, con masas superiores a 114 GeV.

A finales de 2012 se espera que la cantidad de datos total obtenida por los experimentos ATLAS y CMS del LHC, sumada a los de CDF y D0 del Tevatron, permita confirmar o descartar definitivamente la existencia del bosón de Higgs en el rango de masas previsto por el Modelo Estándar y que aún no han sido descartado, entre los 114 GeV y los 600 GeV.

¿Qué pasa si se descubre el bosón de Higgs?

Confirmar la existencia del bosón de Higgs ofrecerá la prueba esencial de la validez del único aspecto del Modelo Estándar que aún no ha sido confirmado. Su descubrimiento supondría una mejor comprensión del Universo y ejercería de impulso para la investigación: otras partículas que habían sido predichas por la teoría como los bosones W y Z fueron descubiertas posteriormente en aceleradores.

Sería el comienzo de una nueva fase en la Física de Partículas. Marcaría el camino en la investigación de otros muchos fenómenos físicos como la naturaleza de la materia oscura, un tipo de materia que compone el 23% del Universo pero cuyas propiedades son completamente desconocidas. Este sería otro reto para experimentos como el LHC.

¿Y si no se descubre?

Si el LHC excluye la existencia del bosón de Higgs, el Modelo Estándar, y nuestra comprensión general del origen de la masa de las partículas, han de ser replanteados. La evidencia de no descubrir el bosón de Higgs en los parámetros establecidos en el Modelo Estándar obligará a formular otra teoría para explicar cómo las partículas obtienen su masa.

Esto, a su vez, requerirá de nuevos experimentos que confirmen o desmientan esta nueva teoría.

*Fuente: CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear)