Una nueva partícula ha sido descubierta – Probablemente es el Bosón de Higgs

INSTITUTO WEIZMANN

El largo y complicado viaje para detectar el bosón de Higgs, que comenzó con un pequeño paso hace unos 25 años, probablemente ha llegado a su fin. Esto fue informado hoy por los científicos del acelerador de partículas LHC en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, CERN, cerca de Ginebra.

El bosón de Higgs es la única de las piezas fundamentales del “Modelo Estándar” que no se ha encontrado. Este describe la estructura de la materia en el universo. El bosón de Higgs combina dos fuerzas de la naturaleza y muestra que ellas son, en realidad, diferentes aspectos de una fuerza más fundamental. La partícula es también responsable de que las partículas elementales tengan masa.

Científicos del Instituto Weizmann han participado de manera destacada en esta investigación desde sus inicios. El Prof. Giora Mikenberg fue, durante muchos años, el director del grupo de investigación que buscó el bosón de Higgs en el experimento del OPAL del CERN. Después fue el líder del proyecto Muon del ATLAS – uno de los dos experimentos que finalmente encontraron la partícula. El Prof. Ehud Duchovni encabeza el equipo del Instituto Weizmann que examina otras cuestiones clave en el CERN. El Prof. Eilam Gross es actualmente el coordinador del grupo de física del Higgs del ATLAS. En el equipo del Weizmann, tres “generaciones” de científicos están representadas: Mikenberg fue supervisor de Duchovni, quien fue, a su vez, supervisor de Gross.

Gross: “Este es el día más importante de mi vida. He buscado el bosón de Higgs desde que era estudiante en la década de los ochentas. Incluso después de 25 años, todavía fue una sorpresa. No importa cómo lo llames – ya no estamos buscando el bosón de Higgs, ahora estamos tan sólo midiendo sus propiedades. Aunque yo creía que iba a ser encontrado, nunca soñé que iba a suceder mientras sostenía un alto cargo en el equipo global de investigación”.

La mayoría de nosotros experimentamos el mundo como un lugar diverso y complejo. Pero los físicos entre nosotros no se conforman con la realidad visible. Ellos están tratando de llegar al fondo de esa realidad y ver si está, como ellos piensan, basada en la absoluta simplicidad presente en el universo temprano. Ellos esperan observar una serie de partículas que son “conjuntos” de un puñado de partículas elementales. Los científicos tienen la esperanza de presenciar la unificación de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que actúan sobre estas partículas (la fuerza débil responsable por la radioactividad, la fuerza electromagnética, la fuerza nuclear fuerte responsable por la existencia de protones y neutrones, y la gravedad).

El primer paso en el camino de la unificación de las fuerzas se completó con el probable descubrimiento de la partícula de Higgs: la unión de dos fuerzas elementales, la electromagnética y la fuerza débil, en la fuerza electrodébil.

Uno de los aspectos del bosón de Higgs, llamado así por el físico escocés Peter Higgs, se manifiesta en que dota de masa a los portadores de la fuerza débil: las partículas “W” y “Z”. (El portador de la fuerza electromagnética, el fotón, no tiene masa).

La máquina más grande del mundo

Como parte del esfuerzo por descubrir el bosón de Higgs, unificar las fuerzas fundamentales y comprender el origen de la masa en el universo, los científicos construyeron la máquina más grande del mundo: un acelerador de partículas situado en un túnel circular de 27 kilómetros de largo, 100 metros por debajo de la frontera entre Francia y Suiza, en el laboratorio de física de partículas europeo, el CERN, cerca de Ginebra.

Este acelerador, llamado Gran colisionador de hadrones (LHC, por sus siglas en ingles), acelera haces de protones hasta 99,999998% de la velocidad de la luz. De acuerdo con la teoría de la relatividad, sus masas a esta velocidad son 7.500 veces mayor a sus masas en reposo. El acelerador enfoca los haces de protones uno contra el otro, provocando colisiones que liberan mucha energía, haciendo explotar a los protones. Por mucho menos tiempo que un abrir y cerrar de ojos, se crean en el acelerador condiciones similares a las que existían en el universo en la primera fracción de segundo después del Big Bang.

Como resultado, partículas de materia se convierten en energía, de acuerdo con la famosa ecuación de Albert Einstein que describe la conversión de materia en energía: E = mc2. La energía se propaga a través del espacio y el sistema se enfría. (Algo similar ocurrió durante la evolución temprana del universo.) Por lo tanto, la energía se convierte de nuevo en partículas de materia y el proceso se repite hasta que partículas que pueden existir bajo condiciones “normales” son creadas.

Las colisiones producen partículas energéticas, algunas de las cuales existen por períodos muy cortos de tiempo. La única manera de discernir su existencia consiste en identificar las huellas que dejan. Para este propósito, una variedad de detectores de partículas fueron desarrollados, cada uno optimizado para detectar determinados tipos de partículas.

Estadística

La probabilidad de crear el bosón de Higgs en una sola colisión es similar a la de extraer al azar, de todas las plantas que crecen en la Tierra, una determinada célula viva de la hoja de una planta. Para hacer frente a esta tarea, científicos del Instituto Weizmann, encabezado por el Prof. Mikenberg, desarrollaron detectores de partículas especiales, los cuales fueron fabricados en el Instituto, Japón y China. Estos detectores han sido adaptados para detectar las partículas muones. En algunas de las pocas colisiones que producen las partículas de Higgs, su huella – la que se registra en los detectores – consiste en cuatro muones energéticos. Por lo tanto, la detección de muones aporta pruebas circunstanciales de la existencia de la partícula de Higgs.

Los científicos analizaron datos de miles billones de colisiones de protones. En éstas, bosones de Higgs son creados junto con muchas otras partículas similares. La evidencia que sugiere la existencia del bosón de Higgs está relacionada con anomalías en los datos recogidos (en comparación con los datos esperados si el bosón de Higgs no existiera). Esta búsqueda se centra en la estimación de la masa del Higgs: 126 billones de electrón-voltios (GeV). Cuando los científicos logran encontrar este tipo de anomalías, entonces deben descartar la posibilidad de que se deban a fluctuación estadística.

Los cálculos realizados por los científicos en las últimas semanas, en las que el profesor Gross jugó un papel central, han revelado, con un alto grado de significación estadística, la existencia de una nueva partícula con una masa similar a la masa esperada del Higgs. La redacción es deliberadamente cautelosa, dejando abierta la posibilidad de que una nueva partícula que no es el bosón de Higgs pueda ser encontrada dentro de este rango de masas. La probabilidad de que, de hecho, sea una nueva partícula distinta al Higgs, es bastante baja. (Pero si lo fuera, de hecho, dicen algunos físicos, las cosas empezarían a ponerse “muy interesantes”.)

CERN

Los científicos del CERN inventaron y desarrollaron el lenguaje de programación y los conceptos básicos que más tarde sirvieron como base para el establecimiento de la Internet. De hecho, el primer servidor de la “World Wide Web” fue activado en el CERN para facilitar la comunicación entre los científicos de todo el mundo que participaban en experimentos realizados localmente. La organización también ha servido como modelo para el establecimiento de la Unión Europea, y su influencia en la tecnología y la economía europea es una reminiscencia del programa espacial estadounidense.

El acelerador de partículas LHC se basa en electroimanes superconductores que trabajan a temperaturas muy bajas: menos de dos grados sobre el cero absoluto (menos 271 grados centígrados). El LHC genera unas mil millones de colisiones de partículas por segundo: si fueran personas, sería como si cada persona en el planeta se reuniera, cada seis segundos, con cada uno de los seis mil millones de habitantes del mundo. Calcular y analizar los datos de estas colisiones es como tratar de entender lo que todos los habitantes del mundo están diciendo, mientras que cada uno está hablando por 20 teléfonos a la vez.

Los electroimanes superconductores más grandes del mundo son parte del equipo experimental. Estos fueron construidos en conjunto con empresas israelíes. Toda la estructura incluye 10.000 detectores de radiación separados tan sólo por un milímetro de distancia, tiene un volumen de 25.000 metros cúbicos y cuenta con medio millón de canales electrónicos. La mayoría de los detectores de radiación de muones se construyeron a partir de componentes producidos en Israel. Un excepcional sistema de láser rastrea la ubicación exacta de los detectores con una precisión de 25 micras (la mitad del espesor de un cabello humano).