El Bosón de Higgs

El pasado 8 de Abril murió en Edimburgo (Reino Unido) Peter W. Higgs, buen físico y buena persona a partes iguales. Higgs se hizo famoso cuando en 1964, junto con sus colegas François Englert (Belga) y Robert Brout (Estadounidense), predijeron la existencia del bosón que lleva su nombre, predicción que casi 50 años después, en 2012, fué confirmada en un experimento realizado por el laboratorio CERN de investigación nuclear. Higgs y Englert recibieron el premio Nobel de Física en el año 2013. Brout había muerto en 2011.

Como ya hemos hablado del mecanismo de Higgs, en virtud del cual el campo de Higgs interactúa con otras partículas dando lugar a la aparición de la masa, acordándonos de Higgs, veamos hoy el experimento del CERN en el que se detectó la aparición de su famoso bosón.

El CERN es un Laboratorio Europeo de Física de Partículas fundado en 1954, que actualmente cuenta con 22 estados miembros entre los que se encuentra España, tiene en plantilla de varios miles de investigadores a tiempo parcial o completo y cuenta además con innumerables colaboradores de universidades e institutos de todo el mundo. Su instalación principal es el denominado Gran Colisionador de Hadrones (LCH), que es un túnel circular de 27 km de longitud construido a 100 m por debajo del nivel del suelo entre Francia y Suiza. Lo que se hace en este túnel es fácil de explicar y muy difícil de llevar a cabo: en el interior del túnel se aceleran dos haces de protones y se hacen colisionar frontalmente con una energía que actualmente es de 13 TeV. Las perspectivas de futuro prevén disponer de un túnel de 100 km y una energía de 100 TeV para el año 2040. Lo que se produce en cada una de estas colisiones supera cualquier imaginación, pues cada haz, con un diámetro de solo 10 milésimas de milímetro, contiene decenas de billones de protones, y la colisiones se producen a un ritmo de 20 millones por segundo.

Y si hacer todo esto es tan difícil que parece ciencia ficción, igual o todavía más difícil es medir lo que allí sucede. Para hacer las medidas el CERN cuenta con una instalación, segunda en importancia después del LCH, denominada ATLAS, que tiene más de 100 millones de canales de medida para detectar las partículas que se producen en la colisión, entre las que se encuentra el bosón de Higgs, que tiene una vida media de 1 zeptosegundo, pues se desintegra enseguida dando lugar a un electrón, un muón y sus correspondientes antipartículas. También es posible que el bosón de Higgs se desintegre siguiendo un proceso que termina con la aparición de dos fotones.

Como al producirse la colisión las partículas salen disparadas en todas la direcciones posibles, los elementos de medida, todos ellos diseñados por el propio CERN, tienen que envolver por completo el punto de colisión según capas concéntricas en torno a la sección circular del túnel. El más interior de todos estos medidores se llama Detector Pixel y cuenta con 80 millones de canales capaces de detectar el paso de cualquier partícula. El segundo se denomina Rastreador Semiconductor y tiene la misión de detectar las trayectorias en el plano perpendicular al del haz de protones. El tercero se llama Detector de Radiación de Transición y se compone de 350.000 tubos que tienen la misión de detectar el paso de las partículas cargadas. A continuación se encuentra el Calorímetro Electromagnético, que mide la energía de los fotones y los electrones. Después, el llamado Calorímetro de Hadrones detiene a estas partículas utilizando placas de acero. Finalmente, envolviendo a todos los demás, se encuentra el Espectrómetro Muónico, que sigue la trayectoria de los muones para medir su energía y su momento. El tratamiento de todos estos datos, que es otro reto de dimensiones enormes, obligó a interconectar el CERN con todos sus colaboradores, interconexión que dio lugar a lo que hoy conocemos como internet.

El CERN tiene en su haber la confirmación de la existencia de los bosones W⁺, W^– y Z después de que estos fueran predichos por los cálculos teóricos del Modelo Estandar. Esto mismo es lo que ocurrió con el bosón de Higgs, anunciado en 1964 y confirmado experimentalmente en 1912. En este año de 2012, de los experimentos que se hacían de manera rutinaria los físicos tenían datos para construir la gráfica de la figura 1, que representa lo siguiente:

-En ordenadas, el número de veces que que aparecen dos fotones como consecuencia de la desintegración de al alguna otra partícula.

-En abscisas, un parámetro llamado masa invariante, que indica la procedencia de esos dos fotones según las partículas de las que provienen, pues son muchas las desintegraciones que pueden dar lugar a la aparición de dos fotones.

Figura 1

Tras unas reformas para aumentar la energía liberada en la colisión de los haces de protones, la curva de la figura 1 pasó a ser la de la figura 2, que indicaba un aumento de sucesos justo en la zona cuya masa invariante correspondía a lo que el Modelo Estandar calculaba para el bosón de Higgs. De esta manera es como el bosón de Higgs se manifestó por primera vez, lo cual pudo confirmarse con experimentos posteriores.

Figura 2

La noticia de la aparición del bosón de Higgs abrió todos los telediarios del mundo del 12 de Julio de 2012. En el año 2013, Peter Higgs, François Englert y el laboratorio CERN fueron galardonados conjuntamente con el premio Príncipe de Asturias de Investigación Científica y Técnica.

Cabecera: Fotografía de Peter Higgs