Científicos detectan la unión entre el bosón de Higgs y el cuark cima

El registro de este acoplamiento confirma las predicciones teóricas del Modelo Estándar de la Física de Partículas. Y sólo fue posible debido al altísimo nivel de energía que ha alcanzado el colisionador

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El tan esperado acoplamiento del bosón de Higgs con el cuark cima se logró finalmente en el Large Hadron Collider (LHC), el gran colisionador de hadrones, situado en la frontera franco-suiza. 

Este evento fue detectado en forma independiente por los dos principales equipos internacionales que trabajan en el LHC: el CMS y el Atlas. Y se lo dio a conocer en el marco de una conferencia conjunta realizada en Boloña, Italia, y en un artículo publicado en Physical Review Letters.

Este resultado surge como una robusta confirmación de la precisión del llamado Modelo Estándar de la Física de Partículas, elaborado colectivamente desde comienzos de la década de 1960.

“Como el bosón de Higgs participa en el proceso de producción de las masas de todas las partículas, se esperaba que interactuase con las partículas en forma proporcional a sus masas. Esto es, que cuanto más pesada fuese la partícula, mayor fuese su interacción con el bosón. Se trata de una característica sumamente específica que, de acuerdo con el Modelo Estándar, sólo el bosón de Higgs posee. Por este motivo, la investigación tendiente a verificar si esto realmente ocurre experimentalmente constituye una manera muy fuerte de corroborar el modelo”, declaró Sérgio Novaes, profesor titular de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en Brasil, a Agência FAPESP. Novaes encabeza el grupo de científicos del estado de São Paulo que participa en la colaboración internacional CMS.

“Con las partículas livianas, el acoplamiento es pequeño, y resulta difícil medirlo. Por eso existía una gran expectativa con relación al acoplamiento del bosón de Higgs con el cuark cima, que es una partícula muy pesada, más pesada incluso que el propio bosón de Higgs, con una masa superior a 172 GeV/c². Pero finalmente logramos detectar y medir esa interacción. Y arribamos a la conclusión de que efectivamente ocurre aquello que se predijo en el Modelo Estándar. El Higgs se acopla proporcionalmente a la masa del cuark cima. Fue una gran confirmación del modelo”, dijo Novaes.

La interacción del bosón de Higgs con el cuark cima sólo fue posible debido al aumento de energía del LHC. En el evento referido, la colisión de dos protones genera un par cuark-anticuark cima (cada componente tiene más de 172 GeV/c²) y un bosón de Higgs (con alrededor de 125 GeV/c²). Esto corresponde casi a la masa de 500 protones. De este modo, en el nivel actual de energía del colisionador, que es de 13 TeV (13 billones de electronvoltios), el choque de dos protones produce una masa equivalente a 500 protones, y el resto de la energía inicial se manifiesta bajo la forma de la energía de las partículas producidas. En este punto cabe recordar que la energía se convierte en masa, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, E = m.c², en la cual E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz en el vacío.

Asimismo, cuanto mayor es la energía del colisionador, mayor es la definición entre dos puntos observados. Con la energía actual del LHC, es posible diferenciar puntos situados a tan sólo 10^-18 m. A modo de comparación, esa distancia es mil millones de veces menor que aquélla en la cual opera la nanotecnología [10^-9 m].

Una aventura teórica

El bosón de Higgs –así denominado en homenaje a quien lo postuló, el físico británico Peter Higgs, nacido en 1929 y Premio Nobel de Física de 2013– fue incorporado al Modelo Estándar en la década de 1960 para resolver un problema teórico abstracto: que el modelo contuviese un ingrediente capaz de dotar de masa a las partículas que debían tener masa y, al mismo tiempo, que siguiese siendo “renormalizable”, es decir, que siguiese teniendo la capacidad de formular predicciones. 

Esto fue un dilema hasta que el físico estadounidense Steven Weinberg –ganador del Premio Nobel de Física de 1979 junto al paquistaní Abdus Salan y al también estadounidense Sheldon Glashow– tuvo la idea de añadirle al modelo el llamado “mecanismo de Higgs”.

“No existía ninguna evidencia experimental de la existencia del bosón de Higgs. Su proposición fue más bien una aventura teórica y no una hipótesis experimentalmente verificable. Tan es así que fueron necesarios 45 años hasta que la partícula finalmente fue detectada y anunciada, el día 4 de julio de 2012”, dijo Novaes.

La dificultad para su obtención experimental es fácil de entenderse. Con una masa de aproximadamente 125 GeV/c², más de 133 veces la masa del protón, el bosón de Higgs es, después del cuark top, la segunda partícula del Modelo Estándar en lo que a masa se refiere. Su producción, por una ínfima fracción de segundo, sólo es posible en contextos de altísima energía como los que habrían existido inmediatamente después del Big Bang, o los ahora alcanzados en el LHC.

“No hubo durante esos 45 años ninguna hipótesis alternativa que al mismo tiempo dotase de masa a las partículas y explicase la interacción entre las mismas. Trabajé en eso desde mi maestría. Para mí es un gusto enorme haber participado en la detección del bosón de Higgs en 2012. Y también ahora ver una nueva confirmación de esta propuesta teórica”, dijo Novaes, actualmente en el LHC, en Ginebra, Suiza.

El origen de la masa

La afirmación de que el bosón de Higgs dota de masa a las partículas da margen para una interpretación errónea en algunas ocasiones. El motivo de ello es que se imagina a una partícula entregándole masa a otra puntualmente; pero no se trata de eso.

La mejor herramienta disponible para describir este nivel de la naturaleza es la teoría de campos. En los marcos de la mecánica cuántica, las partículas no son corpúsculos diminutos, tales como se las concibe en la Física Clásica. Las partículas son a ese nivel excitaciones del campo. Toda partícula es en realidad el cuanto de un determinado campo. El fotón es el cuanto del campo electromagnético. El electrón es el cuanto del campo del electrón. El bosón de Higgs es el cuanto del campo de Higgs. Y así sucesivamente.

“El campo de Higgs permea todo el espacio y su cuanto es el bosón de Higgs. Se manifiesta por medio del bosón, así como el campo del electrón se manifiesta a través del electrón, y el campo electromagnético se manifiesta por la vía del fotón. De acuerdo con el Modelo Estándar, el campo de Higgs es lo que dota de masa a las partículas. Al manifestarse en el espacio, las partículas interactúan con éste. Y cuanto mayor es esa interacción, mayor es la masa”, explicó Novaes.

De este modo, aunque sean idénticos en cuanto a la carga (2/3) y al espín (1/2), por ejemplo, los cuarks arriba y cima exhiben una enorme diferencia de masa. La masa del cuark cima es casi 80 mil veces mayor. Y esto es proporcional a su acoplamiento al campo de Higgs.

“El hecho de que la constante de acoplamiento del bosón de Higgs sea proporcional a la masa de las partículas con las cuales éste se acopla es una predicción universal del Modelo Estándar. Dicha predicción ya había sido corroborada en el caso de partículas más livianas. Ahora, el acoplamiento con el cuark cima refuerza aún más la efectividad del modelo en la descripción de las partículas elementales y de sus interacciones”, dijo Novaes.

La detección del acoplamiento del bosón de Higgs con el cuark cima es producto de la superación de enormes dificultades experimentales. Una dificultad reside en que las tres partículas resultantes de la colisión (el cuark cima, el anticuark cima y el bosón de Higgs) decaen muy rápidamente en otros objetos. El cuark cima decae en el bosón W y en el cuark fondo. El W, a su vez, decae en otras partículas. 

Ahora bien, el cuark fondo es un objeto producido abundantemente en las colisiones de protones. Por este motivo, un gran reto consiste en distinguir al cuark fondo originado por el cuark cima de un telón de fondo extremadamente abundante de cuarks fondos. Asimismo, el bosón de Higgs también decae en varios objetos. Todo esto en un contexto en el cual existen alrededor de 40 interacciones transcurriendo al mismo tiempo.

“El estado final detectado es sumamente complejo y requiere de una ingeniería de macrodatos fantástica para que la señal que interesa pueda extraerse de ese background superabundante. Es aquello de encontrar unas pocas agujas en un pajar”, dijo Novaes.

Y el “pajar” es realmente colosal. Pues cada 25 milmillonésimas de segundo dos haces, cada uno de ellos con 100 mil millones de protones, se chocan durante la actividad del LHC, generando la mayor cantidad de datos ya producida sobre la faz de la Tierra.

El artículo intitulado Observation of tt H Production (doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.231801), de A. M. Sirunyan y otros (Colaboración CMS), se encuentra publicado en el siguiente enlace: journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.231801.