​La importancia del bosón de Higgs

El bosón de Higgs es una partícula elemental que se considera clave en el proceso mediante el cual las partículas adquieren masa en el Universo.

Su existencia fue teorizada en el marco del Modelo Estándar de la Física de Partículas, pero su detección experimental se convirtió en uno de los principales desafíos de la comunidad científica.

Confirmar o descartar la presencia de esta partícula ha sido una de las metas fundamentales del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el acelerador de partículas más grande y avanzado del mundo, creado por el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN).

Pieza clave del Modelo Estándar

El bosón de Higgs es una pieza clave del “Modelo Estándar”, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones. Hasta ahora, todas las partículas previstas por esta teoría han sido detectadas, salvo el bosón de Higgs. Su importancia radica en que es la pieza que falta para explicar cómo las partículas adquieren su masa.

La existencia de la masa es esencial para la conformación del Universo tal como lo conocemos. Sin ella, los átomos no existirían, lo que impediría la formación de la materia en su estado actual.

El mecanismo de Higgs

En la década de 1960, el físico británico Peter Higgs, junto con otros científicos, propuso un mecanismo teórico conocido como el “Campo de Higgs”, que explicaría cómo las partículas elementales obtienen su masa. Así como el fotón es la unidad elemental del campo electromagnético y de la luz, el campo de Higgs también necesita de una partícula para existir: el bosón de Higgs.

El campo de Higgs se concibe como una especie de matriz invisible que abarca todo el espacio. Cuando las partículas se desplazan a través de este campo, experimentan una resistencia o interacción, lo que da lugar a su masa. Cuanto mayor es la interacción de una partícula con el campo de Higgs, mayor es su masa.

¿Qué es un bosón?

Las partículas subatómicas se agrupan en dos categorías principales: fermiones y bosones.

Los fermiones constituyen la materia, incluyendo electrones, protones y neutrones, que forman los átomos.

Los bosones, en cambio, son las partículas encargadas de transmitir las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Algunos ejemplos son el fotón, que transporta la fuerza electromagnética, el gluón, responsable de la fuerza nuclear fuerte y los bosones W y Z, que intervienen en la interacción débil.

El bosón de Higgs se distingue porque su función está directamente relacionada con la generación de masa en otras partículas.

Identificación del bosón de Higgs

Dado que el bosón de Higgs es extremadamente inestable y se desintegra casi instantáneamente en otras partículas, no se puede observar de manera directa. En su lugar, los científicos buscan rastros de su existencia analizando las partículas en las que se desintegra tras su formación.

Para lograr esto, en el LHC se aceleran y colisionan protones a velocidades cercanas a la de la luz. Durante estas colisiones, la energía liberada se convierte en nuevas partículas, siguiendo la ecuación de Einstein: E = mc². Como la teoría del Modelo Estándar no precisa la masa exacta del bosón de Higgs y solo proporciona un rango de valores posibles, se necesitan colisiones a energías extremadamente altas. El LHC, con su capacidad para alcanzar hasta 14 teraelectronvoltios (TeV), es el instrumento ideal para la búsqueda de esta partícula.

Sobre la certeza de si el bosón de Higgs ha sido descubierto

En física de partículas, se considera que una partícula ha sido observada cuando la evidencia experimental alcanza cinco sigmas de certeza. Este nivel de confianza significa que la probabilidad de que un resultado sea fruto de una fluctuación aleatoria es extremadamente baja, menor al 0,00006%.

Para alcanzar este umbral, los científicos analizan una cantidad masiva de datos generados por los 300 millones de colisiones por segundo que ocurren en el LHC. Estos datos se miden en femtobarns inversos, una unidad que permite cuantificar la cantidad de colisiones dentro del acelerador por unidad de superficie y tiempo.

Para confirmar que la partícula descubierta corresponde al bosón de Higgs y no a otra entidad desconocida, los investigadores deberán analizar su comportamiento en términos de producción y desintegración y comprobar si sus propiedades concuerdan con lo que predice la teoría del Modelo Estándar.

Últimos avances

Las investigaciones llevadas a cabo en distintos aceleradores de partículas como el LEP (Large Electron-Positron Collider) permitieron descartar que el bosón de Higgs tuviera una masa superior a 158 GeV, mientras que otros estudios indirectos sugirieron que su masa podría encontrarse entre 124 y 126 GeV.

Los primeros indicios significativos de la existencia del bosón de Higgs en el LHC se presentaron en diciembre de 2011 en el CERN, basándose en análisis de millones de colisiones de protones registradas en los experimentos ATLAS y CMS. Ambos experimentos encontraron señales similares en un rango de masa cercano a 125 GeV, lo que supuso un indicio importante de su posible descubrimiento.

Significado de la confirmación de la existencia del bosón de Higgs

Si los experimentos confirman la existencia del bosón de Higgs, esto validaría el Modelo Estándar como una teoría fundamental de la física de partículas, pero también abriría nuevas preguntas, como la posibilidad de que existan otras partículas aún desconocidas. Se iniciaría así una nueva era en la física, que podría ampliar nuestra comprensión sobre el origen del Universo y la materia oscura.

Si el bosón de Higgs no fuese descubierto dentro de los parámetros que predice el Modelo Estándar, los físicos se verían obligados a reconsiderar sus teorías y buscar un nuevo marco explicativo sobre el origen de la masa. Esto impulsaría nuevas investigaciones y el desarrollo de futuros aceleradores aún más avanzados.

La investigación sobre el bosón de Higgs ha avanzado significativamente. Los físicos han estudiado detalladamente sus propiedades, como su masa, espín y formas de desintegración, para verificar su concordancia con las predicciones teóricas. Estos estudios han reforzado la comprensión de cómo las partículas adquieren masa y han abierto nuevas vías para explorar fenómenos más allá del Modelo Estándar.

El CERN está planificando futuros proyectos para profundizar en el estudio del bosón de Higgs y otras cuestiones fundamentales. Uno de estos proyectos es el Futuro Colisionador Circular (FCC), un acelerador de partículas de 91 km de circunferencia que permitiría nuevos descubrimientos sobre partículas fundamentales como el bosón de Higgs y comprender mejor la materia y energía oscuras del universo[1].

En paralelo, la inteligencia artificial (IA) está emergiendo como una herramienta revolucionaria en la física fundamental. Según el profesor Mark Thomson, próximo director general del CERN, la IA podría ayudar a desentrañar el destino del universo y mejorar la detección de eventos raros que revelen cómo las partículas adquirieron masa después del Big Bang[2].

En resumen, el bosón de Higgs fue descubierto en 2012 y desde entonces, su estudio ha sido fundamental para validar teorías existentes y explorar nuevas fronteras en la física de partículas[3].

Impacto del bosón de Higgs en la tecnología y la ciencia

El hallazgo del bosón de Higgs no solo ampliaría nuestra comprensión sobre el Universo y su evolución, sino que además sus aplicaciones podrían revolucionar diversas áreas:

- Medicina: La tecnología desarrollada en la física de partículas ha sido clave en la creación de herramientas como la resonancia magnética y la tomografía por emisión de positrones (PET), utilizadas para el diagnóstico de enfermedades.

- Energía y materiales avanzados: Gracias a los aceleradores de partículas tipo sincrotrón, los científicos pueden analizar nuevos materiales con aplicaciones en la industria, la nanotecnología y la biotecnología.

- Tratamientos médicos: Algunas instituciones emplean haces de partículas como una innovadora opción en el tratamiento contra el cáncer.

- Computación y telecomunicaciones: Tecnologías como la red GRID, desarrollada a partir de la investigación en el CERN, han tenido un impacto en la informática distribuida y en el manejo de grandes volúmenes de datos.

El descubrimiento del bosón de Higgs representaría un hito en la física moderna y podría abrir las puertas a una nueva era de conocimiento sobre la materia y el universo.

Pero… “¿se ha descubierto o no?

El bosón de Higgs fue descubierto en 2012 en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Los experimentos ATLAS y CMS confirmaron su existencia al detectar una nueva partícula con una masa de aproximadamente 125 GeV, que coincidía con las predicciones teóricas del Modelo Estándar de la física de partículas.

Lo que se ha descubierto sobre el bosón de Higgs desde 2012 y estado de la cuestiónes:

1. Confirmación de sus propiedades:

- Se ha comprobado que el bosón de Higgs tiene espín 0, como predice la teoría.

- Su masa se ha determinado con gran precisión: 125,1 GeV.

- Se ha observado su desintegración en otras partículas (fotones, bosones W y Z, quarks, etc.), y estos procesos concuerdan con las predicciones del Modelo Estándar.

2. Investigación en curso:

- Se están analizando posibles desviaciones del Modelo Estándar, lo que podría indicar nueva física más allá del modelo actual.

- El High-Luminosity LHC (HL-LHC), una actualización del LHC, empezará a operar en 2029, lo que permitirá recopilar más datos sobre el bosón de Higgs y posibles nuevas partículas.

3. Posibles indicios de nueva física:

- Algunas mediciones de los experimentos ATLAS y CMS sugieren pequeñas desviaciones respecto a las predicciones teóricas.

- Estas diferencias podrían ser evidencia de nueva física, como la supersimetría o la materia oscura, aunque aún no hay pruebas concluyentes.

En conclusión, aunque el bosón de Higgs ya se ha descubierto y sus propiedades coinciden en gran medida con el Modelo Estándar, su estudio sigue siendo clave para entender los misterios del universo, incluyendo la naturaleza de la materia oscura, la energía oscura y la posible existencia de nuevas partículas fundamentales.

[1] elpais.com+1elpais.com+1

[2] thetimes.co.uk+3theguardian.com+3elpais.com+3

[3] Avances recientes en la investigación del bosón de Higgs y la física de partículas:

elpais.com: Mark Thomson, físico: "Vamos a abrir una ventana al universo que no conocíamos antes"

elpais.com: El británico Mark Thomson, nuevo director general del CERN

theguardian.com: AI to revolutionise fundamental physics and 'could show how universe will end'