¿Es curioso y le gustaría saber cómo está hecho todo lo que vemos en el universo? El descubrimiento del bosón de Higgs es, si se confirman sus características, la pieza que faltaba para conseguirlo. Sin él no existiríamos. Pero ¿qué más sorpresas nos esperan?
El físico teórico Peter Higgs durante una visita en el detector CMS, del acelerador de partículas LHC en 2008. / CERN
“¿Por qué se emocionó la gente con la relatividad de Einstein, cuando
yo era un niño, allá por los años treinta? ¿Por qué la gente adora las
buenas fotos de Saturno? ¿Por qué tantas personas se preocuparon tanto
cuando Plutón fue degradado como planeta? ¿Por qué fascina la materia
oscura y la energía oscura del universo?”, comenta el premio Nobel de
Física Sheldon Lee Glashow al plantearse la repentina popularidad, todo
un exitazo mundial, de una nueva partícula elemental, minúscula, pero
esencial para comprender de qué estamos hechos, bautizada con el extraño
nombre de bosón de Higgs y recién descubierta, o casi. El hallazgo,
anunciado el pasado 4 de julio en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN),
junto a Ginebra, culmina más de medio siglo de búsqueda científica con
enormes esfuerzos de investigación en el mayor complejo de máquinas de
experimentación científica que se ha construido jamás. Y ahora ¿Qué hay
después Higgs? ¿Qué nuevos fenómenos de la naturaleza pueden surgir en
el gran acelerador de partículas LHC y sus detectores, en los que el
Higgs se ha hecho realidad por fin?
Los físicos, por supuesto, siguen en la brecha, intentado siempre desvelar los enigmas de la naturaleza. Y para ellos un descubrimiento es siempre un escalón más, nunca el final de la escalera. Pero a veces el hallazgo es tan importante que condiciona los siguientes pasos a dar. El bosón de Higgs no es una partícula cualquiera, dice Glashow, es la última pieza que faltaba en la teoría contemporánea que describe como están hechas las cosas, todo lo que vemos en el universo. “Y juega un gran papel”, añade, con su habitual entusiasmo este físico estadounidense de la Universidad de Boston.
“Sin el Higgs no existiríamos”, apunta el director del CERN, el alemán Rolf Heuer. “Cuando estudiamos los componentes más pequeños de la materia, abordamos las mayores preguntas del universo, y el bosón de Higgs nos dirá cómo las partículas fundamentales de las que todos estamos hechos adquieren su masa y, por tanto, permiten la existencia de cosas complejos, como los seres humanos”, comenta.
Heuer fue quién presentó, el 4 de julio, en el auditorio del CERN y con transmisión por internet a todo el mundo, las charlas de Joe Incandela y Fabiola Gianotti, los portavoces de los dos enormes detectores Atlas y CMS en los que habían por fin aparecido las huellas del ansiado bosón de Higgs. Daniel Froidevaux dice que “fue un momento mágico”. Para este físico suizo que empezó a proyectar y trabajar en el experimento Atlas hace 25 años “ha sido una suerte inmensa, porque nadie te puede garantizar que en tu vida profesional vayas a presenciar un descubrimiento así”. Se emocionó, reconoce, hasta las lágrimas, el 4 de julio, pero ya mira hacia adelante, como todos los expertos, confiando en que el LCH proporciones señales de un universo desconocido. Ese es realmente el objetivo del gran acelerador, dice.
La idea básica de este tipo de máquinas (y el LHC es la más potente jamás construida) es hacer chocar frontalmente partículas –protones, en el acelerador de Ginebra- aceleradas hasta casi la velocidad de la luz de manera que en las colisiones y, siguiendo las leyes de la física, formen otras partículas, casi siempre conocidas, pero a veces, muy de vez en cuando, nuevas, como el bosón de Higgs.
Encontrar el famoso bosón ha sido muy difícil, “como dar con un tipo especial de copo de nieve en una gran nevada”, señala Heuer.
Pero pueden desvelarse más secretos de la naturaleza. Nuevas familias de partículas que ahora solo son hipótesis de los teóricos, incluso huellas de nuevas dimensiones espaciales que puedan existir además de las tres en las que vivimos (alto, ancho y largo) y que estén escondidas en el microcosmos, son algunas posibles piezas a cazar en el CERN en los próximos años.
Conviene hacer un somero repaso de cómo es y cómo funciona el microcosmos. La materia de nosotros mismos, de todo lo que nos rodea y lo que vemos en el cosmos, incluidos planetas, estrellas y galaxias, está formada por partículas elementales gobernadas por fuerzas fundamentales. Los átomos son objetos compuestos por un núcleo rodeado de electrones (que parecen ser partículas fundamentales, indivisibles), y el núcleo esta hecho de protones y neutrones (en muchos casos), a su vez formados por quarks, estos si indivisibles (por lo que ahora se sabe). Pues bien, los físicos, a lo largo del siglo XX y con la estrategia eficaz de combinar observaciones, experimentos y teorías que los expliquen, han logrado describir esas partículas y sus interacciones en el llamado Modelo Estándar (MS), verificado y comprobado con una precisión enorme.
El modelo estándar describe las partículas elementales y como funcionan. Es un poco como un kit con distintas piezas y las instrucciones para montarlas. Las piezas son las partículas que constituyen la materia y las instrucciones describen como funcionan, es decir las fuerzas entre ellas, que curiosamente, consisten en intercambios también de partículas. Las piezas son 12 partículas (como los quarks o los electrones) organizadas en tres familias, y las fuerzas de interacción del MS son también tres: el común electromagnetismo, la fuerza débil responsable de las desintegraciones radiactivas y la fuerza fuerte que mantiene unidos los quarks en los protones y neutrones del núcleo atómico.
Pero el MS no es perfecto y una de sus deficiencias importantes, además de no lograr acomodar en ella la cuarta fuerza, la gravedad, es su incapacidad de explicar por qué unas partículas tienen masa y otras no, y por qué las primeras tienen masas diferentes. Y aquí se incorporó el bosón de Higgs al MS como solución teórica, hace casi medio siglo. Esta partícula es la manifestación del denominado campo de Higgs con el que interaccionan más o menos intensamente las partículas que tienen masa, y nada las que no la tienen (como el fotón de la luz). Este mecanismo fue propuesto por varios físicos teóricos (el británico Peter Higgs, entre otros), pero ha sido muy difícil comprobar si era correcto, si la naturaleza funciona realmente así, y sólo con el descubrimiento experimental del bosón concreto empiezan a aclararse las cosas.
La partícula que los físicos de Atlas y CMS anunciaron el 4 de julio es un bosón (un tipo de partículas) y muy posiblemente el que se estaba buscando, pero los expertos no están aún seguros, así que lo primero es estudiarlo con más detalle y salir de dudas. “Determinar si es exactamente esa partícula o si hay más bosones de Higgs adicionales requerirá analizar los datos del LCH durante las próximas una o dos décadas y el estudio, probablemente, continuará en un futuro acelerador diseñado especialmente para medir con alta precisión sus propiedades”, dice Aurelio Juste Rozas, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE, en Barcelona) y miembro del experimento Atlas.
También considera que la cosa llevará tiempo Marcos Cerrada, del Ciemat, físico del CMS. “Pero si se trata precisamente del bosón de Higgs, sabemos perfectamente qué características debe tener”, añade.
Igualmente pide paciencia Froidevaux: “A finales de ese año sabremos un poco más, pero bien podemos tardar diez años en caracterizar el nuevo bosón y verificar que sus propiedades son compatibles con el Modelo Estándar”. De manera que el camino inmediato a seguir con el LHC esta claro, no así lo que se puede descubrir.
Hay que tener presente que el descubrimiento “se ha alcanzado mucho antes de lo esperado inicialmente tras analizar tan solo un 1% de las datos que se esperan acumular con este acelerador, lo cual es prometedor de cara a unos futuros descubrimientos que puedan estar aguardándonos”, advierte Juste Rozas.
El LHC seguirá funcionando hasta diciembre; luego, a principios de 2013 se apagará para realizar, durante dos años, las adaptaciones necesarias antes de encenderlo de nuevo a finales 2014 con el doble de energía. “Yo no esperaría otro gran descubrimiento antes del próximo diciembre, pero yo no decido, decide la naturaleza, así que uno nunca sabe…”, reconoce Heuer.
“Después del Higgs, ¿El diluvio?”, se pregunta con ironía el físico teórico del CERN Luis Álvarez Gaumé. “Esperemos que sea un diluvio lleno de sorpresas y descubrimientos nuevos. El análisis de lo que podría ser la partícula de Higgs continúa y hay que poner mucha atención para ver si existen anomalías sistemáticas en los datos que indiquen de forma indirecta la existencia de una realidad más allá de la que conocemos”.
Lo interesante de la física de partículas a principios del siglo XXI es que si es asombroso lo mucho que conocen y entienden los científicos de cómo es el universo en sus componentes más elementales, más asombroso aún es lo muchísimo que desconocen y que intenta desvelar con teorías e hipótesis y, necesariamente, con experimentos que demuestren su veracidad. Se refieren a todo esto como “nueva física”, porque saben que el Modelo Estandar, por bien que funcione, no es la última palabra, no es perfecto, dejan cabos sueltos…. Luego no puede ser la descripción definitiva del mundo subatómico.
“Personalmente espero que si hay otro descubrimiento sea una sorpresa, algo que no esperamos, pero tengo muchas esperanzas de encontrar indicios, por ejemplo, de partículas supersimétricas”, dice Incandela. “La filosofía es no dejar ninguna piedra sin levantar: buscamos indicios de partículas supersimétricas, indicación de dimensiones extra, una cuarta generación de partículas, etcétera. Se busca sistemáticamente lo esperado por todo tipo de teorías, pero también lo inesperado, intentado simplemente observar desviaciones de las predicciones del modelo estándar”, apunta Martine Bosman, del IFAE.
De esas partículas supersimétricas no ha aparecido aún señal alguna en los experimentos, pero abundan en las discusiones entre los físicos teóricos, en los artículos científicos, los congresos y las charlas en las instituciones de física de todo el mundo, incluido el CERN. Se trata de un nuevo modelo teórico que engloba al Modelo Estándar y que supera en parte sus limitaciones. Y, según las predicciones de esas teorías supersimétricas, llamadas SUSY, debe existir todo un conjunto de nuevas partículas primas de las ya conocidas, pero con características propias, denominadas supersimétricas. Nadie sabe si realmente existen, ni siquiera aparecerían en los experimentos del gran acelerador de Ginebra, caso de existir. Pero se buscan con ahínco. “El LHC tiene mucho recorrido todavía: la etapa siguiente en la que se aumentará la energía, nos abre una nueva región inexplorada hasta ahora”, avanza Cerrada.
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El País Ciencia
Los físicos, por supuesto, siguen en la brecha, intentado siempre desvelar los enigmas de la naturaleza. Y para ellos un descubrimiento es siempre un escalón más, nunca el final de la escalera. Pero a veces el hallazgo es tan importante que condiciona los siguientes pasos a dar. El bosón de Higgs no es una partícula cualquiera, dice Glashow, es la última pieza que faltaba en la teoría contemporánea que describe como están hechas las cosas, todo lo que vemos en el universo. “Y juega un gran papel”, añade, con su habitual entusiasmo este físico estadounidense de la Universidad de Boston.
Una colisión de partículas registrada en el detector Atlas en el que se ha producido un posible bosón de Higgs. / CERN / ATLAS
“Sin el Higgs no existiríamos”, apunta el director del CERN, el alemán Rolf Heuer. “Cuando estudiamos los componentes más pequeños de la materia, abordamos las mayores preguntas del universo, y el bosón de Higgs nos dirá cómo las partículas fundamentales de las que todos estamos hechos adquieren su masa y, por tanto, permiten la existencia de cosas complejos, como los seres humanos”, comenta.
Heuer fue quién presentó, el 4 de julio, en el auditorio del CERN y con transmisión por internet a todo el mundo, las charlas de Joe Incandela y Fabiola Gianotti, los portavoces de los dos enormes detectores Atlas y CMS en los que habían por fin aparecido las huellas del ansiado bosón de Higgs. Daniel Froidevaux dice que “fue un momento mágico”. Para este físico suizo que empezó a proyectar y trabajar en el experimento Atlas hace 25 años “ha sido una suerte inmensa, porque nadie te puede garantizar que en tu vida profesional vayas a presenciar un descubrimiento así”. Se emocionó, reconoce, hasta las lágrimas, el 4 de julio, pero ya mira hacia adelante, como todos los expertos, confiando en que el LCH proporciones señales de un universo desconocido. Ese es realmente el objetivo del gran acelerador, dice.
La idea básica de este tipo de máquinas (y el LHC es la más potente jamás construida) es hacer chocar frontalmente partículas –protones, en el acelerador de Ginebra- aceleradas hasta casi la velocidad de la luz de manera que en las colisiones y, siguiendo las leyes de la física, formen otras partículas, casi siempre conocidas, pero a veces, muy de vez en cuando, nuevas, como el bosón de Higgs.
Encontrar el famoso bosón ha sido muy difícil, “como dar con un tipo especial de copo de nieve en una gran nevada”, señala Heuer.
Pero pueden desvelarse más secretos de la naturaleza. Nuevas familias de partículas que ahora solo son hipótesis de los teóricos, incluso huellas de nuevas dimensiones espaciales que puedan existir además de las tres en las que vivimos (alto, ancho y largo) y que estén escondidas en el microcosmos, son algunas posibles piezas a cazar en el CERN en los próximos años.
Conviene hacer un somero repaso de cómo es y cómo funciona el microcosmos. La materia de nosotros mismos, de todo lo que nos rodea y lo que vemos en el cosmos, incluidos planetas, estrellas y galaxias, está formada por partículas elementales gobernadas por fuerzas fundamentales. Los átomos son objetos compuestos por un núcleo rodeado de electrones (que parecen ser partículas fundamentales, indivisibles), y el núcleo esta hecho de protones y neutrones (en muchos casos), a su vez formados por quarks, estos si indivisibles (por lo que ahora se sabe). Pues bien, los físicos, a lo largo del siglo XX y con la estrategia eficaz de combinar observaciones, experimentos y teorías que los expliquen, han logrado describir esas partículas y sus interacciones en el llamado Modelo Estándar (MS), verificado y comprobado con una precisión enorme.
“El bosón de Higgs nos dirá cómo las partículas adquieren su masa y permiten la existencia de cosas complejas”
El modelo estándar describe las partículas elementales y como funcionan. Es un poco como un kit con distintas piezas y las instrucciones para montarlas. Las piezas son las partículas que constituyen la materia y las instrucciones describen como funcionan, es decir las fuerzas entre ellas, que curiosamente, consisten en intercambios también de partículas. Las piezas son 12 partículas (como los quarks o los electrones) organizadas en tres familias, y las fuerzas de interacción del MS son también tres: el común electromagnetismo, la fuerza débil responsable de las desintegraciones radiactivas y la fuerza fuerte que mantiene unidos los quarks en los protones y neutrones del núcleo atómico.
Pero el MS no es perfecto y una de sus deficiencias importantes, además de no lograr acomodar en ella la cuarta fuerza, la gravedad, es su incapacidad de explicar por qué unas partículas tienen masa y otras no, y por qué las primeras tienen masas diferentes. Y aquí se incorporó el bosón de Higgs al MS como solución teórica, hace casi medio siglo. Esta partícula es la manifestación del denominado campo de Higgs con el que interaccionan más o menos intensamente las partículas que tienen masa, y nada las que no la tienen (como el fotón de la luz). Este mecanismo fue propuesto por varios físicos teóricos (el británico Peter Higgs, entre otros), pero ha sido muy difícil comprobar si era correcto, si la naturaleza funciona realmente así, y sólo con el descubrimiento experimental del bosón concreto empiezan a aclararse las cosas.
La partícula que los físicos de Atlas y CMS anunciaron el 4 de julio es un bosón (un tipo de partículas) y muy posiblemente el que se estaba buscando, pero los expertos no están aún seguros, así que lo primero es estudiarlo con más detalle y salir de dudas. “Determinar si es exactamente esa partícula o si hay más bosones de Higgs adicionales requerirá analizar los datos del LCH durante las próximas una o dos décadas y el estudio, probablemente, continuará en un futuro acelerador diseñado especialmente para medir con alta precisión sus propiedades”, dice Aurelio Juste Rozas, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE, en Barcelona) y miembro del experimento Atlas.
También considera que la cosa llevará tiempo Marcos Cerrada, del Ciemat, físico del CMS. “Pero si se trata precisamente del bosón de Higgs, sabemos perfectamente qué características debe tener”, añade.
Igualmente pide paciencia Froidevaux: “A finales de ese año sabremos un poco más, pero bien podemos tardar diez años en caracterizar el nuevo bosón y verificar que sus propiedades son compatibles con el Modelo Estándar”. De manera que el camino inmediato a seguir con el LHC esta claro, no así lo que se puede descubrir.
“El LHC tiene mucho recorrido. La nueva etapa que aumentará la energía nos abre una región inexplorada”
Hay que tener presente que el descubrimiento “se ha alcanzado mucho antes de lo esperado inicialmente tras analizar tan solo un 1% de las datos que se esperan acumular con este acelerador, lo cual es prometedor de cara a unos futuros descubrimientos que puedan estar aguardándonos”, advierte Juste Rozas.
El LHC seguirá funcionando hasta diciembre; luego, a principios de 2013 se apagará para realizar, durante dos años, las adaptaciones necesarias antes de encenderlo de nuevo a finales 2014 con el doble de energía. “Yo no esperaría otro gran descubrimiento antes del próximo diciembre, pero yo no decido, decide la naturaleza, así que uno nunca sabe…”, reconoce Heuer.
“Después del Higgs, ¿El diluvio?”, se pregunta con ironía el físico teórico del CERN Luis Álvarez Gaumé. “Esperemos que sea un diluvio lleno de sorpresas y descubrimientos nuevos. El análisis de lo que podría ser la partícula de Higgs continúa y hay que poner mucha atención para ver si existen anomalías sistemáticas en los datos que indiquen de forma indirecta la existencia de una realidad más allá de la que conocemos”.
Lo interesante de la física de partículas a principios del siglo XXI es que si es asombroso lo mucho que conocen y entienden los científicos de cómo es el universo en sus componentes más elementales, más asombroso aún es lo muchísimo que desconocen y que intenta desvelar con teorías e hipótesis y, necesariamente, con experimentos que demuestren su veracidad. Se refieren a todo esto como “nueva física”, porque saben que el Modelo Estandar, por bien que funcione, no es la última palabra, no es perfecto, dejan cabos sueltos…. Luego no puede ser la descripción definitiva del mundo subatómico.
“Personalmente espero que si hay otro descubrimiento sea una sorpresa, algo que no esperamos, pero tengo muchas esperanzas de encontrar indicios, por ejemplo, de partículas supersimétricas”, dice Incandela. “La filosofía es no dejar ninguna piedra sin levantar: buscamos indicios de partículas supersimétricas, indicación de dimensiones extra, una cuarta generación de partículas, etcétera. Se busca sistemáticamente lo esperado por todo tipo de teorías, pero también lo inesperado, intentado simplemente observar desviaciones de las predicciones del modelo estándar”, apunta Martine Bosman, del IFAE.
De esas partículas supersimétricas no ha aparecido aún señal alguna en los experimentos, pero abundan en las discusiones entre los físicos teóricos, en los artículos científicos, los congresos y las charlas en las instituciones de física de todo el mundo, incluido el CERN. Se trata de un nuevo modelo teórico que engloba al Modelo Estándar y que supera en parte sus limitaciones. Y, según las predicciones de esas teorías supersimétricas, llamadas SUSY, debe existir todo un conjunto de nuevas partículas primas de las ya conocidas, pero con características propias, denominadas supersimétricas. Nadie sabe si realmente existen, ni siquiera aparecerían en los experimentos del gran acelerador de Ginebra, caso de existir. Pero se buscan con ahínco. “El LHC tiene mucho recorrido todavía: la etapa siguiente en la que se aumentará la energía, nos abre una nueva región inexplorada hasta ahora”, avanza Cerrada.
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