El bosón de Higgs, la “última” partícula

Araceli Varela

La física es una ciencia experimental: solo acepta como un hecho científico aquello que es medible y reproducible experimentalmente. La historia de la ciencia, sin embargo, ha denigrado la práctica experimental durante mucho tiempo. Afortunadamente, esa tendencia ha sufrido un cambio desde los años 1980 y hoy son numerosos los autores que se interesan en la práctica científica, insistiendo en su autonomía y en su dinámica y lógica de conocimiento propias(1). Preguntas del tipo: ¿Cómo se desarrolla el trabajo cotidiano de un investigador en física? ¿De qué manera se toman las decisiones en los laboratorios de investigación? ¿Cómo se elige entre diferentes líneas de investigación posibles? ¿Cómo se termina un experimento? ¿Cuál es el proceso que lleva a grupos experimentales compuestos de numerosos investigadores a anunciar un descubrimiento o, al contrario, a detener el experimento y cambiar de proyecto? ¿En qué medida se toman tales decisiones con base en criterios puramente científicos?… pueden así encontrar respuesta a través de un análisis histórico-sociológico de la práctica experimental.

Otros historiadores se han interesado más por cuestiones de carácter epistemológico, intentando identificar las estrategias adoptadas por los científicos para convencerse de la validez de sus resultados y poder defenderlos ante sus iguales. ¿Cuál es, entonces, el proceso que lleva al experimentador a interpretar sus resultados, a darles cierta validez y a establecer un consenso en cuanto a su verdadera significación? Pregunta de plena actualidad después del anuncio, el pasado 4 de julio, del descubrimiento en el CERN de una nueva partícula(2).

La Física de Altas Energías y el CERN

El CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear) fue fundado en 1954, periodo en que Europa se encontraba muy debilitada tras la II Guerra Mundial y en el que la colaboración científica internacional se contemplaba como la vía para reconstruirse y poder competir con los EE UU en la investigación en física fundamental. Las actividades del CERN son financiadas por los estados miembro(3), representados en el Consejo por dos delegados, uno científico y uno político, así como en otros órganos rectores del laboratorio. Cincuenta y ocho años después de su fundación, el CERN es hoy el centro de investigación en física más importante del mundo, donde casi 2.500 personas trabajan cotidianamente y cerca de 6.500 científicos lo hacen de manera temporal en los experimentos de física de altas energías.

La Física de Altas Energías (HEP, High Energy Physics), o física de partículas, se ocupa del estudio de la composición de la materia en su nivel más fundamental, así como de la naturaleza de las interacciones entre estos constituyentes elementales. Esta disciplina nace a finales de los años 1920(4) (si bien hay quien señala su nacimiento con el descubrimiento de la primera partícula elemental: el electrón, por J. J. Thomson en 1897) y a partir de finales de los anos 1940 los físicos comienzan a utilizar el termino HEP(5). Desde el surgimiento de la HEP, enormes cambios -tanto teóricos como experimentales- han afectado a nuestra comprensión profunda de la estructura de la materia. Los aparatos que permiten a los físicos sondear los constituyentes elementales de la materia -sobre los que aun existen muchas preguntas sin respuesta- son los llamados aceleradores -y colisionadores- de partículas: máquinas en las que ciertas partículas que componen la materia (protones en el caso del LHC del CERN) circulan en un tubo de vacío, donde se aceleran y se hacen colisionar en puntos concretos (dentro de los detectores) para así analizar los productos de sus interacciones. El CERN se ha dotado, desde sus inicios, de diversos aceleradores de partículas. La ultima adquisición, el Large Hadron Collider (LHC), es un colisionador circular de 27 km de circunferencia y situado a 100 metros bajo tierra, que los protones recorren diez mil veces por segundo a una velocidad próxima a la de la luz. El LHC consta de cuatro detectores: ATLAS, CMS, ALICE y LHC-b, y los experimentos llevados a cabo en los dos primeros son los responsables del anuncio, la pasada semana, del descubrimiento de una nueva partícula nunca antes “vista”.

El Modelo estándar y el bosón de Higgs

La materia, en su nivel más fundamental, se describe, pues, en términos de partículas elementales -o partículas de materia- y de interacciones entre ellas -interacciones mediadas por el intercambio de un segundo tipo de partículas, llamadas partículas mensajeras-. Cada una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza (fuerza electromagnética, fuerza gravitatoria, fuerza débil y fuerza fuerte) tiene su partícula mensajera. Estas partículas mensajeras pertenecen a la familia de los bosones, y son llamadas también “bosones de intercambio”. Así, el fotón vehicula la interacción electromagnética, y los gluones, mediadores de la fuerza fuerte, mantienen unidos a los quarks dentro de protones y neutrones. La fuerza débil tiene a los bosones W y Z como mediadores. En un anhelo de unificación, los físicos sostienen que estas interacciones que conocemos hoy tienen un origen común y proceden todas de una única interacción, presente unos instantes después del Big Bang(6). (Los aceleradores de partículas son las máquinas que permiten recrear las condiciones existentes en el origen del universo). En los años 1960, Glashow, Weinberg y Salam consiguieron una descripción matemática precisa de la fuerza débil y la electromagnética, unificándolas en la así llamada fuerza electrodébil, cuyos mediadores son los fotones y los bosones W y Z. Esta teoría ha sido confirmada experimentalmente con el descubrimiento en el CERN, en el año 1983, de las partículas mensajeras W± y Zo.

La síntesis de los avances en HEP desde los años 1940 es lo que se conoce, desde los 1980, como Modelo estándar: la teoría dominante de la física de partículas y que reúne, en una explicación coherente, la mayor parte de la información que hoy tenemos sobre la materia a nivel fundamental. El Modelo estándar ha pasado con éxito todas las pruebas experimentales a las que ha sido sometido y ha permitido anticipar numerosos descubrimientos experimentales -como la existencia de quarks pesados o de los bosones W y Z. El Modelo estándar tiene aún, sin embargo, cuestiones abiertas y no es una teoría completa (no incluye, por ejemplo, la gravedad). Una de las preguntas clave, y que ha motivado los experimentos que se llevan a cabo en el LHC, viene motivada por la unificación de las interacciones electromagnética y débil en los años 1960. Esta teoría tenía, efectivamente, un problema. Si la fuerza electrodébil es una interacción fundamental, ¿por qué las partículas mediadoras de la interacción electromagnética, los fotones, no tienen masa, mientras que los bosones W y Z, mediadores de la interacción débil, son muy pesados? La solución llegó en 1967 bajo la forma del mecanismo de Higgs.

Según el mecanismo de Higgs, las partículas golpean continuamente un tipo de partículas mensajeras presentes en todo el espacio: los bosones de Higgs. Esto frena su movimiento, del mismo modo que si tuviesen masa. Decir que una partícula es muy pesada es lo mismo que decir que interacciona fuertemente con el bosón de Higgs. Habría así partículas, como los W y Z, entre otras, que interaccionan fuertemente con este campo, o partículas, como los fotones, que no interaccionan con él y tienen masa cero. Este es el mecanismo que se considera hoy en día como el origen de la masa de todas las partículas elementales. El bosón de Higgs explica en particular que el fotón tenga masa cero y que el resto de partículas elementales tengan cierta masa, pero no explica, sin embargo, la variedad de sus masas. Es a pesar de todo la explicación mas ampliamente aceptada por la comunidad de científicos, si bien existen otros modelos teóricos que no predicen el bosón de Higgs(7).

La búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN

Si no sabemos siquiera si el bosón de Higgs existe realmente, ¿cómo es posible buscarlo? La teoría predice que, si existe, el bosón de Higgs es altamente inestable y se desintegra en una pequeña fracción de segundo en dos partículas. La teoría no predice la masa del bosón de Higgs, que está correlacionada con la clase de partícula en la que el Higgs puede desintegrarse. Así, para un rango de masa posible entre 100 y 500 GeV/c(2)(8), el bosón de Higgs puede desintegrarse en un par de bosones W, en un par de quarks b, en un par de bosones Z, en un par de Taus, en un par de fotones, o aun en un par de quarks top. Son los denominados “canales de desintegración”. En sus investigaciones, los físicos consideran una posible masa del bosón de Higgs que quieren estudiar y observan en qué partículas puede desintegrarse un bosón de Higgs de esa masa. A continuación buscan ese tipo de partículas en los detectores para ver si obtienen más de las que la teoría predice si no existiera un bosón de Higgs de la masa estudiada.

Esto es en lo que, desde hace cuatro años, trabajan varios grupos experimentales del LHC en el CERN, el único laboratorio en el mundo dedicado a ello tras el cierre del Tevatron, en Fermilab, EEUU, en septiembre de 2011 debido a problemas económicos. Los primeros resultados espectaculares, pero preliminares, han sido desvelados por los portavoces de las experiencias asociadas a los detectores CMS y ATLAS el pasado 4 de julio. Imposible entrar en el auditorio principal del CERN donde se iban a hacer públicos los últimos resultados sobre la búsqueda del bosón de Higgs(9). Cuatro antiguos directores generales del CERN, cuatro de los teóricos que han postulado la existencia del bosón de Higgs, incluido Peter Higgs en persona, numerosos teóricos y experimentales llenaban la sala. La cita era, pues, de suma importancia para la comunidad científica. Desde Australia, donde tenía lugar la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías, se seguían en directo las presentaciones por videoconferencia.

Pero, ¿qué han descubierto? Ambas colaboraciones han anunciado el descubrimiento de una nueva partícula, un bosón de masa 125,3 GeV en CMS, y de 126,5 GeV en ATLAS. Los análisis tienen en cuenta los datos recopilados por los detectores en 2011 y en 2012, hasta dos semanas antes del anuncio, para los canales de desintegración: foton-foton, ZZ, tau-tau y par de quarks b. Pese a que la cobertura mediática dada al evento, la presencia de Peter Higgs en la audiencia, la manera de presentar los resultados, y los titulares de la mayor parte de la prensa internacional nos hacen creer que es el descubrimiento del bosón de Higgs lo que se ha anunciado, los físicos no cuentan todavía con datos suficientes para afirmar tal cosa. Están buscando el bosón de Higgs, han encontrado un bosón, pero no tiene aun la etiqueta que, de confirmarse, será sin duda recompensada con un Nobel. Una vez que han fijado la masa -de aproximadamente 126 GeV-, para probar ahora que se trata del bosón de Higgs hay que verificar que la partícula encontrada tiene todas las características que se atribuyen a este último. Una de ellas es, efectivamente, los modos de desintegración, y en eso se basan los datos anunciados en el CERN, pero resta aun saber, por ejemplo y entre otros datos, cual es el spin(10) de esta partícula.

Criterios de validación de un hecho científico

Según el Modelo estándar, el bosón de Higgs se produciría en una de cada cuatro mil millones de colisiones entre los protones del LHC. Es decir, que la frecuencia de aparición de un evento tal es baja y es necesario provocar un enorme número de colisiones para estar seguro de que lo que se ha “visto” es el bosón de Higgs y no una fluctuación estadística, un error del análisis o del detector. Sin entrar en detalles sobre la batalla entre “racionalistas” y “constructivistas”(11), los científicos utilizan diferentes estrategias para proporcionar una creencia razonable en los resultados que obtienen(12). Así, un primer criterio importante para tomar en serio lo presentado en el CERN es que dos experimentos diferentes, y que desconocían los resultados obtenidos por cada uno, han encontrado el mismo efecto -o uno muy similar(13).

Por otra parte, es necesario realizar un enorme trabajo de eliminación de posibles fuentes de error y de explicaciones alternativas al resultado. Este tipo de análisis ha sido explicado en detalle por los portavoces de los dos experimentos en sus conferencias, pero, como ellos mismos mencionaron, los análisis son aun preliminares, y si bien se han realizado muchas mejoras con respecto a la situación presentada en este mismo laboratorio a finales de 2011, aun se necesitan meses, o años de trabajo, para tener resultados definitivos. Otro criterio consiste en utilizar una teoría del fenómeno independiente y bien corroborada para explicar los resultados. Si bien el Modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs, el acuerdo entre las observaciones y las predicciones teóricas, así como la confianza en este modelo, ha ayudado, sin duda, a validar los resultados experimentales. Finalmente, el criterio fundamental utilizado en física de partículas (adoptado por convención en los años 1960) para decidir si un resultado experimental es suficientemente fiable para tomarlo en cuenta, es de naturaleza estadística, y se trata de la desviación estándar, o σ. Los físicos utilizan una escala de σ graduada de 1 a 5, que se puede traducir directamente como el nivel de confianza en los resultados experimentales, es decir, en la probabilidad de que el fenómeno o partícula observado no lo sea debido a un proceso aleatorio diferente al buscado: un resultado a 1 σ tiene un nivel de confianza del 68% ; un resultado a 3 σ tiene un nivel de confianza del 99,7% y un resultado a 5 σ tiene un nivel de confianza del 99.9999% y es considerado como una prueba sólida que corresponde a una probabilidad de error inferior a 0.00003%. Se puede entonces anunciar un descubrimiento.

Esto es lo que han hecho los físicos del LHC, pero sólo han podido obtener el nivel de 5 σ tras combinar los resultados correspondientes a cuatro canales de desintegración diferentes del bosón. Cada uno de estos modos de desintegración por separado no alcanza realmente más que 2 σ en el mejor de los casos, o 1,5 σ en otros. Dado que, si se trata de él, el bosón de Higgs debe poder ser detectado con suficiente estadística a través de todos sus modos de desintegración, esto quiere decir que es todavía necesario mucho trabajo para afirmar que estamos ante el descubrimiento de la tan esperada “última” partícula elemental del Modelo Estándar. Por no hablar de algunos dramáticos casos de anuncios de descubrimientos en HEP con una confianza de 5 σ y que acabaron por “desaparecer”(14)…

Conclusión

Probablemente el trabajo que los físicos van a continuar realizando todo este año, con el rigor que les caracteriza, confirmará las sospechas de que nos hallamos, efectivamente, ante el bosón de Higgs. Pero es legítimo preguntarse por qué el CERN -que no tiene competencia de otros laboratorios en esta búsqueda- hace este anuncio ahora, convoca a la prensa internacional e invita a los padres teóricos del mecanismo de Higgs. En una época de grave crisis económica, ¿necesitaba el CERN justificar a los estados miembros que los seis mil millones de francos suizos que ha costado el proyecto LHC han sido bien utilizados? ¿Había que poner término a los dieciocho años de espera desde el descubrimiento de la última partícula elemental y dar -si esto fuera necesario- algo de crédito a la investigación fundamental?(15)

Si los resultados anunciados en el CERN el pasado 4 de junio se convierten finalmente en el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, habrán pasado casi cincuenta años entre su postulado teórico y su descubrimiento.

Significara además que los físicos podrán planificar con mas fundamentos qué líneas de investigación seguir en el futuro próximo y de que manera y con que objetivos plantear los proyectos de investigación en el LHC y en la era post-LHC. Conviene entonces señalar que, hélas, esta planificación, así como el eventual descubrimiento del bosón de Higgs, podrían haberse llevado a cabo en el propio CERN hace mas de una década, cuando el predecesor del LHC, el colisionador LEP(16), estaba en funcionamiento. Pero por entonces, cuestiones de orden político-económico llevaron a los responsables del laboratorio a tomar la decisión de favorecer el naciente proyecto LHC en detrimento del LEP, de manera que los experimentos de este ultimo nunca han podido dar de sí todo lo que era posible. Los avances en investigación fundamental dependen a menudo de una intricada conjunción de factores científicos, económicos, políticos e incluso sociales y culturales, y el CERN no es una excepción.

* Araceli Sánchez Varela, miembro del Consejo Editorial de Sin Permiso, es asistente en Historia de la Ciencia en la Universidad de Ginebra, Suiza, donde trabaja sobre la historia reciente del CERN.

Notas:

1. Entre ellos P. Galison, A. Franklin, H. Collins ou K. Staley.
2. http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2012/PR17.12E.html
3. http://council.web.cern.ch/council/fr/Etatsmembres.html
4. El primer acelerador de partículas, un ciclotrón, se construyo en 1931 en Berkeley, EEUU.
5. Con anterioridad a esta fecha, el estudio de las partículas era considerado como parte de la física nuclear, y de esta manera se llamaban las instituciones y laboratorios de investigación en este campo [como es el caso del CERN: Centre Européen de la Recherche Nucléaire].
6. Como ejemplos exitosos de “unificación”, se encuentran la demostración, por parte de Newton, de que la fuerza que mantiene a los planetas girando en torno al sol y la fuerza que nos mantiene pegados a la superficie de la Tierra es la misma. También Maxwell llevó a cabo la unificación de los campos eléctricos y magnéticos, que hasta antes de su gran teoría, eran considerados fenómenos separados y diferentes.
7. Ver, por ejemplo: http://en.wikipedia.org/wiki/Higgsless_model
8. El electronvoltio (símbolo eV) es una unidad de energía que representa la energía cinética que adquiere un electrón cuando es acelerado por una diferencia de potencial de 1 voltio. En física de partículas se usa indistintamente como unidad de masa y de energía, ya que en relatividad ambas magnitudes se refieren a la misma cosa. La relación de Einstein E=m·c² da lugar a la unidad de masa eV/c². 1 eV/c² = 1,783 × 10-36 kg.
9. http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=197461; https://www.youtube.com/watch?v=JAlgX4FNiyM
10. El spin es una propiedad cuántica intrínseca asociada a cada partícula que la caracteriza como lo hacen también su masa o su carga eléctrica. Las partículas con spin entero se llaman bosones y las partículas con spin semientero son los fermiones.
11. Simplificando, un racionalista defiende la idea de la existencia de estrategias de validación precisas que permiten al experimentador dar un sentido a su experimento y validarlo; los constructivistas relacionan la adopción de los resultados de un experimento únicamente a su utilidad futura para el campo en cuestión, así como al grado en que los resultados coinciden con los compromisos ideológicos de las partes interesadas.
12. A. Franklin, Selectivity and Discord, pp. 3-6.
13 Para el historiador de la ciencia Ian Hacking, algo es real si puede ser observado utilizando diferentes aparatos experimentales, o bien si se utiliza el mismo aparato pero con técnicas diferentes. I. Hacking, Representing and Intervening.
14. Ver, por ejemplo: http://www.sciencemag.org/content/289/5488/2260.summary
15. Se trata del descubrimiento en Fermilab, EEUU, del quark Top, en 1995.
16. El LEP, Large Electron-Positron Collider era un colisionador de electrones y positrones en funcionamiento en el CERN entre 1989 y 2000, cuando fue parado y desmantelado para dejar el sitio al LHC.