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¿Qué hay de nuevo al respecto del bosón de Higgs?

Tras el revuelo mediático del verano pasado, cuando se anunció el descubrimiento de una nueva partícula que “se parece al bosón de Higgs”, podría pensarse que se trata de un tema científicamente zanjado y que los físicos de partículas se orientaban hacia otros objetivos. Nada más lejos de la realidad (aunque por supuesto se trabaja en otras líneas también), tras este anuncio las colaboraciones ATLAS y CMS del LHC1 han seguido analizando los datos de las colisiones registradas el año pasado, refinando y ampliando las medidas, para intentar conocer en mayor detalle las propiedades de esta nueva partícula y comprobar si se comporta exactamente según lo predicho por el Modelo Estándar de la Física de Partículas (SM en adelante), de manera que podamos afirmar con certeza que la partícula observada es EL bosón de Higgs. Mediante estas líneas intentaré resumir los nuevos resultados que se han presentado en diferentes conferencias internacionales, que serán publicadas en breve y que llevaron al CERN a emitir una nota de prensa en la que se anunciaba: “Nuevos resultados indican que la partícula encontrada en el CERN es el bosón de Higgs”.

En primer lugar, la acumulación de más datos confirmó, más allá de cualquier duda, la existencia de esta nueva partícula. La señal, aunque tenue, se hace evidente y se tiene la certeza de que es imposible que sea producida por otro tipo de partícula conocida o por errores experimentales. El proceso observado no es debido a nada conocido hasta el momento.

Por otra parte ambos experimentos comienzan a proporcionar medidas razonablemente precisas de la sección eficaz de producción (que viene a medir cuán probable es el proceso), parámetro que predice el SM con gran precisión. Aunque ATLAS obtiene un valor ligeramente más alto y CMS uno ligeramente más bajo, las medidas son compatibles con las predicciones. Además se comienzan a observar procesos de producción menos probables, también de acuerdo con las predicciones, los llamados VBH (producción por fusión de bosones vectoriales Z o W) y VH (producción de un bosón de Higgs acompañado de un bosón Z o W). El ritmo de producción es compatible con el esperado para un bosón de Higgs.

Uno de los detectores del LHC, CMS, durante su montaje.

Uno de los detectores del LHC, CMS, durante su montaje.

La partícula observada, al igual que el Higgs, es inestable y se desintegra inmediatamente a otras partículas por distintos procesos, llamados canales de desintegración. El descubrimiento se realizó fundamentalmente en base a los canales ZZ y γγ , en que el Higgs se detecta por su desintegración a pares de bosones Z o de fotones. Se han refinado estas medidas y además se han añadido las de otros canales como el WW (dos bosones W), bb (pares de quarks beauty) o ττ (pares de leptones tau). Contrariamente a algunos indicios iniciales, en ninguno de los casos se observan desviaciones significativas de lo esperado para el SM. De todos estos resultados se ha derivado información sobre la intensidad de los acoplamientos a bosones y fermiones (cuán fuerte interacciona el Higgs con cada tipo de partícula) y, una vez más, no hay desviaciones del SM (ver imagen superior). Se desintegra según lo esperado.

Se ha medido la masa de esta partícula con bastante precisión, situándola entre 125 y 126 GeV/c2 (unas 135 veces la masa del protón). Aunque el SM no proporciona una predicción sobre la masa del Higgs (éste es uno de los motivos de la dificultad de su búsqueda), el valor obtenido está dentro del (amplio) rango permitido por las llamadas medidas de precisión del modelo.

Finalmente, más novedoso y probablemente más importante, se han comenzado a realizar medidas del spin y la paridad de la partícula encontrada. El spin y la paridad son propiedades cuánticas que determinan la naturaleza fundamental de una partícula. Dentro del SM, el Higgs debe ser un escalar, esto es, debe ser una partícula de spin cero y paridad positiva. Si la partícula observada tuviera otras propiedades se comportaría de un modo distinto, y no podría explicar el mecanismo de adquisición de masa tal y como se espera del Higgs en el SM. Del estudio de correlaciones angulares en las desintegraciones de canales bosónicos se ha excluido la mayoría de las combinaciones spin/paridad posibles, y de los casos restantes el más favorable es precisamente el deseado (un ejemplo se muestra en la figura 2). Aún no se puede confirmar al 100%, pero todo indica que efectivamente el estado observado corresponde con un bosón escalar. Casi con seguridad, tiene el spin y paridad de un bosón de Higgs.

Intensidad de los acoplamientos del higgs a bosones y fermiones medidos con respecto al SM (el punto 1,1 representa lo predicho por el SM)  obtenidos por la colaboración CMS. La cruz marca el resultado obtenido. Cada una de las zonas coloreadas representa el área permitida dentro de un intervalo de confianza al 68% por una de las desintegraciones observadas. La zona gris representa este intervalo para la combinación de todas ellas e incluye el punto (1,1) de la predicción del SM.

Figura 2: Intensidad de los acoplamientos del higgs a bosones y fermiones medidos con respecto al SM (el punto 1,1 representa lo predicho por el SM) obtenidos por la colaboración CMS. La cruz marca el resultado obtenido. Cada una de las zonas coloreadas representa el área permitida dentro de un intervalo de confianza al 68% por una de las desintegraciones observadas. La zona gris representa este intervalo para la combinación de todas ellas e incluye el punto (1,1) de la predicción del SM.

El conjunto de estas medidas ha llevado al Director General del CERN a emitir la citada nota de prensa, aunque para algunos físicos para tener la total seguridad aún falta probar algo más. Ese algo está relacionado con la propiedad básica del Higgs, de que interacciona con otras partículas de forma proporcional a su masa al cuadrado. Los datos de que se dispone son insuficientes para probar o desmentir este aspecto. El LHC se encuentra en estos momentos en parada técnica para aumentar sus prestaciones, tanto en energía como en luminosidad. A la vez, decenas de físicos trabajan en diseñar nuevos algoritmos para analizar las colisiones que se espera proporcione el LHC en 2015 en condiciones nunca antes alcanzadas, para continuar esclareciendo estos aspectos.

Distribuciones esperadas para el test estadístico de la hipótesis de que la partícula observada sea escalar (0+) o  tenga otras combinaciones de spin y paridad (0-, 1-, 2+), la flecha señala el resultado obtenido con los datos, en perfecto acuerdo con la hipótesis de 0+.

Distribuciones esperadas para el test estadístico de la hipótesis de que la partícula observada sea escalar (0+) o tenga otras combinaciones de spin y paridad (0-, 1-, 2+), la flecha señala el resultado obtenido con los datos, en perfecto acuerdo con la hipótesis de 0+.

En resumen, aunque aún queden aspectos que confirmar, cada vez se conocen mejor las propiedades de esta nueva partícula y todos los resultados son compatibles con lo esperado para el bosón de Higgs. Parece que queda poco para cerrar una de las cuestiones que más tiempo lleva preocupando a los físicos de partículas, el origen de la masa. Pero aún hay más temas por resolver: ¿es el SM el modelo último para explicar el mundo subatómico?, ¿existe la supersimetría?, ¿por qué apenas existe antimateria en el universo?, ¿qué es la materia oscura?,¿y la energía oscura?, ¿nuestro mundo es realmente de 4 dimensiones?… Tal vez, el LHC pueda proporcionar respuestas a muchas de estas preguntas en los próximos años.

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(1) Recordar que distintas universidades y centros de investigación españoles participan en estos experimentos. En ATLAS participan el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto del CSIC y la Universitat de València), el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CNM-IMB-CSIC), Institut de Fisica d’Altes Energies (IFAE, consorcio Generalitat de Catalunya y Universitat Autònoma de Barcelona) y la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). En CMS participan el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, centro mixto del CSIC y la Universidad de Cantabria), la Universidad de Oviedo y la UAM.

Referencias: Los resultados aquí mencionados aún no han sido publicados en revistas científicas convencionales o lo han sido sólo de forma parcial, se basan en los resultados enviados a la serie de conferencias “Rencontres de Moriond” que pueden encontrarse en las respectivas páginas www de las colaboraciones ATLAS y CMS


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