Observan por primera vez la desintegración del bosón de Higgs

Durante décadas, los físicos buscaron el bosón de Higgs: la «partícula de Dios» cuyo alter ego, un campo que impregna todo el universo, dota  la materia de masa. En 2012, los científicos hallaron por fin la partícula esquiva, y ahora han descubierto información nueva y fundamental al observar su desintegración.

En dos nuevos estudios, los físicos demuestran que los detectores del Gran Colisionador de Hadrones (GCH) del CERN han conseguido observar al bosón de Higgs desintegrándose en partículas diminutas denominadas quarks fondo. Con el hallazgo, los físicos de partículas que predijeron esta desintegración se apuntan un nuevo tanto. Los estudios también son avances experimentales cuya elaboración ha llevado décadas.

«No estábamos seguros de poder llegar a observarlo», afirma el físico del CERN Andreas Hoecker, portavoz adjunto de la Colaboración ATLAS, grupo que gestiona uno de los detectores. «Mucha gente, sobre todo quienes llevan mucho tiempo en este experimento, está entusiasmadísima por los resultados».

Pero ¿qué es el bosón de Higgs? ¿Y un quark fondo? ¿Y por qué son importantes? Aquí te lo contamos.

¿Qué es el bosón de Higgs?

El bosón de Higgs es una partícula fundamental dentro del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales conocidas y las formas en que interactúan. Sabemos que el Modelo Estándar está incompleto; no incluye la materia oscura —la esquiva sustancia que compone el 85 por ciento de la masa del universo— ni una descripción del funcionamiento de la gravedad a nivel cuántico. Sin embargo, sí ha logrado describir lar partes más básicas de nuestro universo.

En los años 60, físicos como François Englert y Peter Higgs actualizaron el Modelo Estándar que explicaba por qué algunas partículas, como los «paquetes» de luz conocidos como fotones, no tienen masa, pero otras partículas sí. Tenían la teoría de que un campo de energía del universo interactúa con las partículas de dos maneras diferentes. Algunas partículas, como los fotones, atraviesan el denominado campo de Higgs como si no hubiera nada en él. Otras se quedan atrapadas en el campo, como si nadaran en miel. Esta desaceleración es lo que dota de masa a esas partículas.

En la física de partículas, los campos corresponden con partículas: lanza una piedra en el «estanque» del campo electromagnético y saldrá un fotón. Del mismo modo, el bosón de Higgs representa un paquete excitado del campo de Higgs.

Tras décadas de búsqueda, los investigadores del GCH anunciaron en 2012 que habían descubierto una nueva partícula parecida al bosón de Higgs, un hallazgo por el que Englert y Higgs obtuvieron el premio Nobel de Física en 2013. Desde entonces, los físicos han cotejado esta nueva partícula con el Modelo Estándar para comprobar si se comporta como el bosón de Higgs teórico. Hasta ahora, lo ha hecho.

¿Qué tienen que ver los quarks?

A diferencia de los electrones, que pueden durar miles de millones de años, la vida de un bosón de Higgs es increíblemente breve, en el orden del zeptosegundo. Tras su corta existencia, un bosón de Higgs se desintegra en otros tipos de partículas. Por ejemplo, los investigadores anunciaron en 2014 que ATLAS y CMS, dos detectores en el GCH, habían observado la desintegración del bosón de Higgs en parejas de fotones de rayos gamma.

El Modelo Estándar también predice que el bosón de Higgs puede desintegrarse en partículas denominadas quarks. Los quarks son de seis tipos —arriba, abajo, cima, fondo, encantado y extraño— y son los elementos básicos de los protones y neutrones en los átomos, entre otras partículas.

Las desintegraciones del bosón de Higgs deben seguir normas fundamentales. Por ejemplo, como el bosón de Higgs no posee carga eléctrica, los subproductos de su desintegración combinados también deben tener una carga eléctrica cero. Cuando el Higgs se descompone en quarks, que sí tienen cargas eléctricas, estos emergen en pares: un quark y un «antiquark», una partícula idéntica en todos los aspectos salvo por su carga eléctrica opuesta. De ese modo, las cargas de las parejas se cancelan entre sí.

La masa del bosón de Higgs también limita las desintegraciones posibles. Como los quarks fondo son 30 veces más ligeros que el bosón de Higgs, este puede producir una pareja a medida que se desintegra. El Modelo Estándar afirma que, cuando un bosón de Higgs se desintegra, se divide en una pareja de quark fondo/quark antifondo en el 58 por ciento de las ocasiones. Esta predicción fue una prueba crucial para el Modelo Estándar: si los investigadores nunca hubieran observado la desintegración del bosón de Higgs en quarks fondo, entonces nuestras mayores teorías sobre el funcionamiento del universo entrarían en un desequilibrio general.

«El Modelo Estándar no daría cabida a esto», afirma Hoecker.

Ahora, los investigadores que emplean los detectores ATLAS y CMS han observado de manera independiente la desintegración del bosón de Higgs en quarks fondo, demostrando una realidad que coincide con la teoría.

¿Cómo detectaron la desintegración?

Remontémonos a los años 80 y 90, cuando se concibió el GCH y los físicos se dieron cuenta de lo difícil que sería detectar la desintegración de un bosón de Higgs, según cuenta Hoecker. El GCH choca parejas de protones prácticamente a la velocidad de la luz, creando grandes lluvias de partículas que salpican el interior de los enormes detectores. Estos restos contienen muchas partículas diferentes a la vez, y muchas de ellas se parecen a la desintegración del bosón de Higgs.

Los físicos deben reconstruir de forma precisa cómo se produce una colisión empleando las partículas resultantes de la desintegración que detectaron, algo ligeramente similar a averiguar las causas de un accidente de coche examinando los restos del coche y las huellas de los neumáticos.

Tras años de recopilación de datos, simulaciones y algoritmos de aprendizaje automático han permitido a los equipos de ATLAS y CMS explicar todo salvo la desintegración del Higgs que buscaban. Para 2017, los físicos habían reunido datos suficientes para aportar pruebas de la desintegración. El pasado junio, tenían la certeza de que sus datos no eran una coincidencia.

«Es un proceso complicadísimo, y es un equipo enorme de casi cien personas que trabaja solo en los análisis», explica Hoecker. «En general, para extraer los datos, operar el detector [ATLAS], calibrarlo, hay muchos más [empleados]. En total, la colaboración cuenta con unos 3.000 autores científicos».

¿Por qué es importante este descubrimiento?

Para empezar, los estudios aportan aún más seguridad de que hemos averiguado cómo la materia obtiene su masa. No es ninguna nimiedad en nuestra comprensión del universo.

Y debido al lugar fundamental del bosón de Higgs dentro del Modelo Estándar, hasta las ligeras discrepancias entre la teoría y las observaciones podrían abrir las puertas a una nueva física. Ahora que los físicos saben que el GCH puede detectar esta desintegración en quarks fondo, empezarán a supervisarlo para comprobar si rompe alguna regla.

«Con cada año de datos nuevos, buscamos si se producen desviaciones respecto a las predicciones», explica Hoecker. «No hay razón por la que las desviaciones deban ser grandes; en física, los efectos suelen ser pequeños y todo consiste en la precisión».

¿Qué tipo de reglas ocultas del universo podríamos descubrir? Mientras el bosón de Higgs no revele más secretos, los científicos no pueden estar seguros. «Solo podemos seguir adelante humildemente con nuestras mediciones, y la naturaleza nos dirá», afirma Hoecker.

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.