En los EE. UU., el 4 de julio significa celebración: picnics y fuegos artificiales y, entre los más inclinados a la historia, incluso un recuerdo respetuoso del primer paso oficial de la nación hacia la independencia, hace casi dos siglos y medio. Para los físicos de partículas, el 4 de julio tiene otro significado: es el cumpleaños del bosón de Higgs .
Hace exactamente diez años, los investigadores anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs, a menudo conocido popularmente como la “partícula de Dios”, en honor al libro del mismo nombre de Leon Lederman. El bosón es la consecuencia observable del campo de Higgs, que es un campo de energía que se extiende por todo el Universo y da masa a los bloques de construcción más pequeños conocidos de la naturaleza. La teoría que describe esos bloques de construcción se llama Modelo Estándar, y el bosón de Higgs fue el último componente de la teoría que se observó.
La pieza faltante del Modelo Estándar
El Modelo Estándar es la teoría más exitosa propuesta para describir la naturaleza del mundo físico. Usando simplemente doce partículas y unas pocas fuerzas, los científicos pueden explicar el resultado de todos los experimentos que investigan la naturaleza de la materia y la energía en el ámbito subatómico.
El mundo familiar de la pizza y los cachorros, los tornados y las puestas de sol no requiere toda la potencia del modelo estándar; en cambio, solo se necesita un subconjunto. Nuestro mundo está hecho de átomos, cada uno compuesto de protones, neutrones y electrones aún más pequeños. Los físicos conocen partículas subatómicas aún más pequeñas llamadas quarks, que se encuentran dentro de protones y neutrones. Combinado con dos tipos diferentes de fuerzas nucleares y electromagnetismo, los investigadores entienden por qué el sol quema y los aviones vuelan.
El modelo estándar casi muere
El modelo estándar se desarrolló en las décadas de 1960 y 1970 y parecía muy prometedor. Sin embargo, tenía un defecto aparentemente fatal. Solo funcionaba si todos los componentes básicos de la naturaleza tenían masa cero e, incluso mientras se desarrollaba el modelo, se sabía que esto no era cierto. Después de todo, la masa del electrón se ha medido y conocido durante décadas, y el electrón es una de las doce partículas del modelo estándar.
Esta predicción podría haber sido la sentencia de muerte de la teoría, pero se salvó en 1964, cuando tres grupos diferentes de físicos propusieron lo que se conoce como el campo de Higgs, llamado así por Peter Higgs, quien fue uno de los físicos involucrados en el desarrollo del teoría. El campo de Higgs es un complemento del modelo estándar, una curita, en realidad, que retuvo el poder explicativo del modelo pero también dio masa a los bloques de construcción más pequeños de la naturaleza. Sin embargo, todo el edificio del Modelo Estándar se basó en el descubrimiento del bosón de Higgs. Ningún bosón de Higgs (o algo equivalente), y todo el concepto teórico estaba en peligro.
Una cacería de alto riesgo
Entonces, la caza estaba en marcha. Y no fue fácil. Llevó casi medio siglo simplemente desarrollar la tecnología capaz de producir bosones de Higgs. Finalmente, en el verano de 2012, los investigadores lo lograron. (Divulgación: soy uno de los coautores de los dos artículos que describen el descubrimiento del bosón). ¿Cómo lo hicimos?
Los científicos tomaron dos haces de protones altamente energéticos y los aceleraron casi a la velocidad de la luz usando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más poderoso del mundo. Los rayos chocaron en el centro de dos enormes detectores, cada uno tan grande como un edificio de oficinas de tamaño moderado. Utilizando la física incorporada en la famosa ecuación de Einstein, E = mc 2 , la energía de la colisión se transformó en bosones de Higgs.
El bosón de Higgs no se detectó directamente, ya que se desintegra demasiado rápido, por lo que los investigadores buscaron sus productos de descomposición. Después de un esfuerzo considerable y una verificación cruzada de los datos, se anunció formalmente el descubrimiento del bosón de Higgs. Se validó el Modelo Estándar de física de partículas, y este gran logro fue reconocido con el Premio Nobel de Física 2013 a Peter Higgs y François Englert, dos de los arquitectos de la teoría de Higgs.
¿Qué hemos aprendido desde entonces?
Sin embargo, los datos iniciales informados hace una década eran preliminares e incompletos, con muchas preguntas aún sin resolver, incluida la posibilidad de que queden por descubrir variantes adicionales de los bosones de Higgs. Entonces, ¿qué mejoras han traído los años intermedios?
Para empezar, los investigadores ahora están bastante seguros de que el bosón de Higgs predicho en 1964 y la partícula descubierta en 2012 son lo mismo. Además, probablemente no haya variantes adicionales. Los científicos han estudiado las propiedades de descomposición del bosón y han descubierto que se descompone en una variedad de formas, exactamente como se esperaba. En resumen, la teoría de Higgs parece ser correcta.
Por otro lado, la teoría de Higgs es simplemente un complemento de la versión del Modelo Estándar con partículas sin masa. No surge de principios subyacentes. Esto significa que realmente no lo entendemos a un nivel satisfactorio. Para lograr ese nivel de comprensión, se necesita más investigación.
Lo que seguiremos aprendiendo
Durante las próximas dos décadas, los científicos seguirán utilizando el LHC. El LHC comenzó a operar en 2011, y el descubrimiento de Higgs ocurrió en 2012. Desde entonces, los investigadores han recopilado 20 veces más datos, por lo que están aún más seguros de haber encontrado “el” bosón de Higgs. Durante los próximos dos años, los científicos duplicarán los datos nuevamente. Luego, después de un par de años de actualizaciones, el LHC reanudará sus operaciones y entregará 20 veces más datos que los registrados actualmente. En otras palabras, los datos de hoy representan solo un cinco por ciento de lo que se espera que sea el recuento final, con una mejora correspondiente en nuestra comprensión.
Sin embargo, para profundizar realmente en los fundamentos de la teoría del bosón de Higgs, los científicos necesitan crear otro acelerador , uno que haga colisionar electrones y electrones de antimateria. Tal acelerador sería mucho más preciso que el muy poderoso, pero torpe, LHC. Si la investigación de frontera abriera una puerta, el LHC sería un mazo, mientras que el próximo acelerador sería una llave.
La construcción de este nuevo acelerador no ha comenzado. (No se ha tomado una decisión final para construirlo). Pero, si se aprueba, no comenzará a operar hasta la década de 2040. Este nuevo acelerador podría mejorar las mediciones lo suficiente como para reducir las incertidumbres por un factor de diez y, a menudo, más. Precisamente sería capaz de medir la vida útil del bosón de Higgs e incluso explorar cómo el campo de Higgs le da masa al propio bosón de Higgs. Medidas como estas ayudarán a arrojar luz sobre los orígenes fundamentales del campo de Higgs.
La última década ha sido la infancia de la física experimental de Higgs. La próxima década llevará nuestra comprensión del bosón de Higgs hasta la edad adulta, seguida de toda una vida de descubrimientos.
Fuente:
Lincoln, D. (2022, 29 junio). Higgs boson was discovered 10 years ago. What have we learned about it since then? Big Think. Recuperado 29 de junio de 2022, de https://bigthink.com/hard-science/higgs-boson-discovery-tenth-anniversary/