El descubrimiento del bosón de Higgs cumple diez años con la mirada puesta en el futuro

El 4 de julio de 2012 fue un día histórico para la ciencia. Las colaboraciones ATLAS y CMS del CERN (el Laboratorio Europeo para la Investigación Nuclear, por sus siglas en francés) en Ginebra, anunciaban al mundo el descubrimiento del bosón de Higgs, nada menos que 48 años después de su predicción teórica.

Hoy, diez años después, celebramos lo que marcó el final de una larga época de búsqueda, pero también el principio de una nueva era en la exploración de sus propiedades y sus implicaciones en la física. Este descubrimiento supone un hito tanto a nivel teórico como a nivel experimental.

Una pieza clave del Modelo Estándar

La física de partículas estudia cuáles son los componentes básicos de la materia que conforma nuestro universo y las interacciones entre ellos. Todo este conocimiento se puede compactar en un modelo matemático, el Modelo Estándar de física de partículas, capaz de explicar con gran precisión multitud de fenómenos que observamos en la naturaleza.

El mecanismo de Brout-Englert-Higgs es una pieza fundamental en este modelo, ya que sin él la teoría nos diría que las partículas elementales, como el electrón, no deberían tener masa. Sin embargo, sabemos que sí la tienen.

El descubrimiento del bosón de Higgs es la prueba irrevocable de que este mecanismo es correcto. De que existe un campo, llamado campo de Higgs, que impregna todo el espacio y que cuando las partículas interaccionan con él adquieren masa, una masa mayor cuanto mayor sea su interacción con el campo de Higgs.

El bosón de Higgs es la partícula cuántica asociada a dicho campo y las implicaciones de su descubrimiento experimental hace diez años son tales que, al año siguiente, en 2013, Peter Higgs y François Englert recibieron el premio Nobel de Física por proponer el mecanismo de Higgs junto con Robert Brout.

Teconología de vanguardia para generar partículas pesadas

Pero ¿por qué han tenido que pasar 48 años para que hayamos sido capaces de observar esta partícula tan especial? La respuesta está en las impresionantes necesidades tecnológicas que requiere un experimento de este calibre. Para generar una partícula tan pesada como el bosón de Higgs (unas 125 veces más pesada que un protón) se ha tenido que diseñar y construir el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande del mundo.

En él se inyectan protones, se hacen girar casi a la velocidad de la luz y se hacen chocar entre ellos. Millones de protones contra millones de protones. En estas colisiones, toda esa energía cinética se puede transformar en masa, generando nuevas partículas. Cuanta más velocidad, más masa, es decir, podemos generar partículas más pesadas como el Higgs. Se necesita un campo magnético inmenso para conseguir guiar a los protones alrededor del acelerador y esto se consigue con electroimanes superconductores, que funcionan a temperaturas de -271 ºC, convirtiendo al LHC en el lugar más frío del universo conocido.

También se necesita un vacío similar al del espacio exterior. Una vez generado el Higgs en el LHC, necesitamos detectores que registren cada colisión, que tomen fotografías que nos permitan estudiar qué procesos han tenido lugar. Esto implica distintos tipos de tecnologías para distintas características de cada partícula. Hay detectores que nos permiten averiguar la carga eléctrica y la dirección de cada partícula y otros que nos permiten frenarlas y medir su energía. Y en este punto toca analizar los datos.

Un esfuerzo internacional con acento español

Millones y millones de colisiones por segundo generan tal cantidad de datos que ni siquiera los podemos almacenar en un solo lugar. La almacenamos de manera distribuida por todo el mundo en lo que llamamos el Grid.

La comunidad científica española está muy involucrada en este macroexperimento. Centros como el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) en Valencia, centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y la Universidad de Valencia, l'Institute de Física d'Altes Energies (IFAE) y el Instituto de Microelectrónica de Barcelona-Centro Nacional de Microelectrónica (IMB-CNM) en Barcelona, el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) y la Universidad Autónoma de Madrid, el Instituto de Física de Cantabria (IFCA) y la Universidad de Oviedo, llevamos muchos años trabajando, diseñando y construyendo parte de los detectores, participando en el Grid y con una contribución muy importante en el análisis final de los datos. Más recientemente se ha incorporado el Instituto Tecnológico de Aragón (ITAINNO). Teniendo en cuenta el reto tecnológico, 48 años ya no parecen tanto tiempo.

El desarrollo tecnológico que supone construir un experimento de estas características tiene un gran impacto en la sociedad. La World Wide Web, el escáner PET (tomografía por emisión de protones) para la detección de tumores o la terapia hadrónica para el tratamiento del cáncer son algunos ejemplos de cómo la investigación básica tiene un beneficio directo en nuestro día a día.

Nuevos desafíos: el Run 3

Y ahora que ya conocemos al Higgs, ¿qué nos queda por aprender? El hecho de que dos experimentos independientes como son ATLAS y CMS observaran el mismo fenómeno no dejaba lugar a dudas: se había descubierto una nueva partícula y todo apuntaba a que podía ser el bosón de Higgs, aunque en aquel momento no podíamos asegurar que fuera el que esperábamos.

Hoy, tras analizar una cantidad de datos muchísimo mayor, tenemos una visión mucho más clara de la partícula que observamos por primera vez hace diez años. La manera en que interactúa con otras partículas y sus propiedades cuánticas apunta con mucha insistencia a que es, efectivamente, el bosón de Higgs que predice el Modelo Estándar. Porque esta nueva partícula observada podía ser el Higgs o una partícula totalmente nueva.

Esta semana celebramos no solo el décimo aniversario del descubrimiento del Higgs, sino que tenemos programado el comienzo de lo que llamamos el Run 3. El LHC se vuelve a poner en marcha después de tres años de parada técnica con el plan de recoger una cantidad de datos mucho mayor que la que ya tenemos acumulada. Con estos datos seguiremos estudiando las propiedades del Higgs, pero además se abre la puerta al descubrimiento de nuevos fenómenos que podrían resolver algunos de los misterios que el Modelo Estándar no puede responder.

¿Averiguaremos de qué está hecha la materia oscura?

Hablamos, por ejemplo, de entender de qué está compuesta la materia oscura, un tipo de materia que sabemos que conforma sobre un 25 % del universo, que el Modelo Estándar no contempla y que además somos incapaces de observar con los aparatos de que dispone la ciencia actualmente. En las colisiones del LHC se podría generar materia oscura y, si conseguimos observarla, podríamos dar respuesta a una de las cuestiones más fundamentales de la actualidad.

Son cuestiones tan complicadas que requieren de un plan a muy largo plazo. A partir de 2029 empezará la era del High Luminosity LHC (HL-LHC), donde se multiplicará por un factor 10 la cantidad de datos recogida. Incluso después de este periodo, ya se está planeando un colisionador de partículas de 100 km de circunferencia con el que podríamos esclarecer con mucho detalle todas las propiedades del Higgs.

En realidad, somos muchos los físicos y físicas que esperamos que en algún punto de este recorrido encontremos un fallo en el Modelo Estándar que, hasta ahora, resiste invencible. Un nuevo fenómeno que explique la mencionada materia oscura, el origen de la masa de los neutrinos o la asimetría materia-antimateria. Quiero ser optimista y pensar que en los próximos años habrá otro gran hito que celebrar en la física del LHC.

Este artículo fue publicado originalmente por Science Media Centre España.

Emma Torró Pastor recibe fondos del Programa GenT de la Comunidad Valenciana, Conselleria de Innovación, Universidades, Ciencia y Sociedad Digital (proyecto CIEDGENT/2019/023).