Amazings Bilbao «La búsqueda del bosón de Higgs» (primera versión)

Por Francisco R. Villatoro, el 29 septiembre, 2011. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Colaboración Naukas.com (antes Amazings.es) • General • Physics • Prensa rosa • Science ✎ 4

Para Amazings Bilbao varios de los ponentes propusieron no utilizar transparencias de PowerPoint (¡a ver quién se atreve!). Yo tenía transparencias medio preparadas, pero quería poder prescindir de ellas, con lo que al final preparé varias charlas (cuatro charlas), todas con la posibilidad mixta de usar o no transparencias. La charla final la elegí la noche del viernes 23 durante la cena. Quizás no fue la mejor elección. Una elección retardada nunca es una buena elección… Hoy os presento el texto de la primera de mis charlas. Quería ilustrarla con solo cuatro transparencias: imágenes del LHC, Tevatrón, producción de un Higgs por fusión de gluones y la mula Francis con un globo diciendo «os lo dije, en julio o agosto de 2012.» Estas imágenes aportan poco aquí, así que las omitiré. Espero que os guste.

Tiempo estimado: entre 9 y 10 minutos.

El bosón de Higgs es una partícula que ha sido divinizada por algunos, pero que en realidad no tiene nada de especial. Se trata de una partícula predicha por las leyes que rigen la física de todas las partículas que conocemos en la actualidad; a estas leyes los físicos las llamamos modelo estándar. La física de partículas es la física de las energías muy grandes. Explorar energías tan grandes significa explorar distancias muy pequeñas e intervalos de tiempo muy cortos. Gracias a esta física podremos entender cómo era el universo en los primeros instantes tras la gran explosión (el famoso big bang), podremos aproximarnos, poco a poco, al origen de todo.

El bosón de Higgs es una partícula predicha por el modelo estándar. El modelo estándar en ocasiones anteriores ha predicho otras partículas que han sido encontradas en los experimentos (predijo la existencia del bosón Z, del quark top y del neutrino tau, entre otras). Nada indica que el Higgs no exista y nada indica que no vaya a ser descubierto. Sin embargo, no esperéis que su descubrimiento vaya a ser algo revolucionario. El Higgs es una pieza que nos falta en el modelo estándar y tenemos que encontrarla. Una vez encontrada habremos logrado dar el primer paso. Pero el camino a recorrer será largo. Habrá que determinar con precisión sus propiedades y estudiar si se comporta como afirma el modelo estándar que debe hacerlo o si presenta pequeñas desviaciones; estas desviaciones nos darán muchísima información sobre lo que nos depara el futuro del propio modelo estándar. Así ha pasado con todas las partículas predichas hasta ahora que han acabado siendo descubiertas y así seguirá pasando en el futuro. Determinar con precisión las propiedades del Higgs será un proceso largo y costoso que requerirá varias décadas.

Ahora mismo, todo indica que la partícula de Higgs será descubierta en el LHC (el gran colisionador de hadrones) del CERN (el centro europeo para la física nuclear y de partículas), situado cerca de Ginebra, en la frontera entre Francia y Suiza. Tras el grave accidente sufrido por el LHC en septiembre de 2008, se reanudaron las colisiones en noviembre de 2009 con una máxima, la seguridad de la máquina. Había que evitar a toda costa que el accidente se volviera a repetir. Durante el año 2010 el LHC trabajó a medio gas, con colisiones a la mitad de la energía para las que estaba diseñado. Paso a paso, con pasos lentos pero seguros, se obró el milagro. Parecía imposible que el LHC funcionara tan bien como ha estado funcionado durante el año 2010. Nadie esperaba que el LHC fuera una máquina perfectamente «engrasada» para descubrir el bosón de Higgs.

En febrero de este año, 2011, se decidió que la parada técnica prevista para 2012, con objeto de reparar la máquina y prepararla para trabajar a máxima energía, se retrasaría hasta 2013 y que se acumularían suficientes colisiones para que el LHC fuera capaz de descubrir el bosón de Higgs antes de 2013. Los modelos teóricos habían mejorado e indicaban que era posible lograrlo.

Ahora mismo, en cuatro horas se acumulan tantas colisiones como durante todo el año 2010 completo. Solo en cuatro horas. Ahora mismo ya se han acumulado el triple de colisiones de las esperadas en febrero para todo 2011. El LHC está funcionando a las mil maravillas. A este ritmo, el LHC explorará todos los lugares donde se puede esconder el bosón de Higgs y lo encontrará como muy tarde en julio o agosto de 2012.

El año que viene la gran noticia de la física de partículas será el descubrimiento del bosón de Higgs. Recordadlo, la gran noticia habrá sido anunciada en Amazings Bilbao.

El próximo viernes 30 de septiembre, finalizarán las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón, el gran colisionador del Fermilab, los laboratorios Fermi de física de partículas situados cerca de Chicago. Una máquina que ha estado a punto de encontrar el Higgs antes que el LHC, un David que estuvo a punto de vencer a Goliat. El Tevatrón ha realizado importantísimas contribuciones a la física de partículas, destacando el descubrimiento del quark top en 1995 y el estudio de sus propiedades.

Para la mayoría de los físicos es una gran pena, ya que el LHC podrá encontrar el bosón de Higgs, pero no podrá estudiar en detalle sus propiedades hasta dentro de muchos años, cuando acumule un número enorme de colisiones y se pueda realizar física de precisión con él. En el Tevatrón, un colisionador de menor energía, sería más fácil hacer física de precisión. Si se hubiera aprobado la ampliación de su financiación hasta 2014, seguramente en dicha fecha ya se sabría si el bosón de Higgs que se descubra en el LHC es el bosón predicho por el modelo estándar o si por el contrario apunta a nueva física más allá del modelo estándar.

¿Por qué es muy difícil descubrir el bosón de Higgs en el Tevatrón o en el LHC? El 90% de los bosones de Higgs que se producen en estos aceleradores lo hacen gracias a un proceso llamado fusión de gluones. Para producir el Higgs tenemos que aprovechar su acoplamiento con el resto de las partículas y este acomplamiento depende de la masa. El bosón de Higgs se acopla mucho a las partículas conocidas con mayor masa, el quark top, descubierto en el Tevatrón en 1995, y los bosones W y Z, descubiertos en el CERN en 1983.

Para producir un Higgs tenemos que colisionar dos quarks top (un top y un antitop), pero cuando en una colisión en el Tevatrón o en el LHC se produce una pareja de quarks tops, ambos salen disparados en direcciones opuestas. Es imposible que vuelvan a colisionar. Lograrlo requiere producir cuatro quark tops (dos parejas) para que dos de ellos colisionen entre sí, un proceso muy raro. Mucho más probables es la producción de un Higgs gracias a la producción de tres quarks top en una carambola digna de los mejores jugadores de billar.

Un gluón de un protón produce dos quarks top y uno de ellos  colisiona con un gluón del otro protón, emitiendo un nuevo quark top que, por increíble que parezca, alcanza al primero. El resultado es una colisión en forma de triángulo con tres quarks. Como podéis imaginar esta carambola se da raras veces pero es el mecanismo responsable del 90% de los bosones de Higgs producidos en el LHC y en el Tevatrón. Por eso es tan difícil producir el Higgs y por eso se requiere acumular un número enorme de colisiones.

En la actualidad se producen en el LHC del orden de un Higgs por hora. Pero el Higgs se desintegra muy rápido, en una billonésima de billonésima de segundo. Observarlo directamente es imposible. Observamos sus productos de desintegración. Como el Higgs se acopla a todas las partículas conocidas con masa, y como es neutro y se puede desintegrar en pares de fotones o de gluones, los productos de desintegración son muy parecidos a los observados en colisiones en las que no hay un bosón de Higgs. Buscar un bosón de Higgs es como buscar una aguja en un pajar. Pero gracias a que conocemos muy bien el modelo estándar y podemos predecir los productos de las desintegraciones en el Tevatrón y en el LHC, tanto las que incluyen un Higgs como las que no lo incluyen, el bosón de Higgs acabará siendo encontrado. Y si la estadística no engaña, el Higgs será descubierto en 2012.

Gracias.



4 Comentarios

  1. Solo puedo felicitar y aplaudir lecciones de divulgación como la tuya en particular. Me gustaron mucho tus distintas intervenciones por el carácter didáctico de las mismas y porque se nota la pasión que le pones, y eso es muy importante para transmitir.

    Entiendo que tu nivel de exigencia es muy alto contigo mismo, pero la verdad, ha sido una de las mejores conferencias de Bilbao.

  2. Sí señor, estas explicaciones están muy bien!
    Me quito el sombreso ante su explicacion adaptada a un público no demasiado metido en el tema como usted, además de la claridad con la que lo expone. Sí señor.

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