El bosón de Higgs, diez años después de su descubrimiento


Hace diez años, el 4 de julio de 2012, las colaboraciones de ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula con características consistentes con las del bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar de física de partículas.

El descubrimiento marcó un hito en la historia de la ciencia y captó la atención del mundo. Un año más tarde ganó el Premio Nobel de Física François Englert y Peter Higgs por su predicción realizada décadas antes, junto con el difunto Robert Brout, de un nuevo campo fundamental, conocido como el campo de Higgs, que impregna el universo, se manifiesta como el bosón de Higgs y da masa a las partículas elementales.

«El descubrimiento del bosón de Higgs fue un hito monumental en la física de partículas. Marcó tanto el final de un viaje de exploración de décadas como el comienzo de una nueva era de estudios de esta partícula tan especial», dice Fabiola Gianotti, directora del CERN. -General y líder del proyecto (‘portavoz’) del experimento ATLAS en el momento del descubrimiento. “Recuerdo con emoción el día del anuncio, un día de inmensa alegría para la comunidad mundial de física de partículas y para todas las personas que trabajaron incansablemente durante décadas para hacer posible este descubrimiento”.

En solo diez años, los físicos han dado grandes pasos en nuestra comprensión del universo, no solo confirmando desde el principio que la partícula descubierta en 2012 es de hecho el bosón de Higgs, sino que también permite a los investigadores comenzar a construir una imagen de cómo la presencia generalizada de un bosón de Higgs campo en todo el universo se estableció una décima de una billonésima de segundo después del Big Bang.

El nuevo viaje hasta ahora la nueva partícula descubierta por las colaboraciones internacionales de Atlas y CMS en 2012, apareció muy parecidas como el Boson de Higgs predicho por el modelo estándar. ¿Pero fue en realidad esa partícula de longitud posterior? Tan pronto como se hubiera hecho el descubrimiento, Atlas y CMS se dispusieron a investigar en detalle si las propiedades de la partícula que habían descubierto realmente coincidían con las predichas por el modelo estándar.

Créditos: CERN

Al utilizar los datos de la desintegración, o «Decay», de la nueva partícula en dos fotones, los portadores de la fuerza electromagnética, los experimentos han demostrado que la nueva partícula no tiene un impulso angular intrínseco, ni spin cuántico, exactamente como los Higgs. Boson predicho por el modelo estándar. Por el contrario, todas las demás partículas elementales conocidas han girado: las partículas de materia, como las quarks «UP» y ‘Down’ que forman protones y neutrones, y las partículas que transportan la fuerza, como los bosones W y Z. Al observar los bosones de HIGGS, se producen y descomponen en pares de bosones W o Z, Atlas y CMS confirmó que estos obtienen su misa a través de sus interacciones con el campo Higgs, según lo previsto por el modelo estándar.

La fuerza de estas interacciones explica el corto alcance de la fuerza débil, que es responsable de una forma de radioactividad e inicia la reacción de fusión nuclear que alimenta el sol. Los experimentos también han demostrado que el quark superior, el quark inferior y la Tau Lepton, que son los fermiones más pesados, obtienen su misa de sus interacciones con el campo Higgs, nuevamente lo previsto por el modelo estándar. Lo hicieron observando, en el caso del quark superior, el Boson de Higgs se produce junto con pares de quarks superiores, y en los casos del quark inferior y Tau Lepton, la descomposición de Boson en pares de quarks de fondo y tau. Leptones respectivamente. Estas observaciones confirmaron la existencia de una interacción, o fuerza, llamada interacción Yukawa, que forma parte del modelo estándar, pero es diferente a todas las demás fuerzas en el modelo estándar: está mediada por el Bosón de Higgs, y su fuerza no se cuantifica, es decir, no viene en múltiplos de una determinada unidad. Atlas y CMS midieron la masa de Higgs Boson para ser de 125 mil millones de productos electrónicos (GEV), con una precisión impresionante de casi uno por mil.

La masa del Boson Higgs es una constante fundamental de la naturaleza que no está predicha por el modelo estándar. Además, junto con la masa de las partículas elementales más pesadas conocidas, la quark superior y otros parámetros, la masa de Higgs Boson puede determinar la estabilidad del vacío del universo. Estos son solo algunos de los resultados concretos de diez años de exploración del Bosón de Higgs en el colisionador más grande y poderoso del mundo, el único lugar en el mundo donde se puede producir y estudiar esta partícula única.

«Las grandes muestras de datos proporcionadas por el LHC, el rendimiento excepcional de los detectores Atlas y CMS, y las nuevas técnicas de análisis han permitido a ambas colaboraciones extender la sensibilidad de sus mediciones Higgs-Boson más allá de lo que se creía posible cuando se diseñaron los experimentos.» Dice el portavoz de Atlas Andreas Hoecker. Además, dado que la LHC comenzó a colisionar protones en energías récord en 2010, y gracias a la sensibilidad y precisión sin precedentes de los cuatro experimentos principales, las colaboraciones de LHC han descubierto más de 60 partículas compuestas predichas por el modelo estándar, algunos de que son exóticos ‘tetraquarks’ y ‘pentaquarks’.

Los experimentos también han revelado una serie de insinuaciones intrigantes de desviaciones del modelo estándar que obligan a la investigación adicional y han estudiado el plasma de quark-gluon que llenó el universo en sus momentos tempranos en detalles sin precedentes. También han observado muchos procesos de partículas raras, realizadas mediciones cada vez más precisas de los fenómenos modelo estándar, y un nuevo terreno roto en las búsquedas de nuevas partículas más allá de las predichas por el modelo estándar, incluidas partículas que pueden conformar la materia oscura que representa la mayor parte de la masa del universo. Los resultados de estas búsquedas agregan piezas importantes a nuestra comprensión de la física fundamental.

«Los descubrimientos en la física de partículas no tienen que significar nuevas partículas», dice el director de CERN para la investigación y la computación, Joachim Mnich. «Los resultados de LHC obtenidos durante una década de operación de la máquina nos han permitido difundir una red mucho más amplia en nuestras búsquedas, estableciendo límites fuertes en posibles extensiones del modelo estándar, y para encontrar nuevas técnicas de búsqueda y análisis de datos». Sorprendentemente, todos los resultados de LHC obtenidos hasta ahora se basan en solo el 5% de la cantidad total de datos que el colisionador se entregará en su vida. «Con esta» pequeña «muestra» pequeña «, el LHC ha permitido avanzar grandes pasos en nuestra comprensión de las partículas elementales y sus interacciones», dice el teorista de CERN MICHELANGELO MANGANO. «Y mientras que todos los resultados obtenidos hasta ahora son consistentes con el modelo estándar, todavía hay mucho espacio para los nuevos fenómenos más allá de lo que se prevé esta teoría». «El propio Higgs Boson puede apuntar a nuevos fenómenos, incluidos algunos que podrían ser responsables de la materia oscura en el universo», dice el portavoz de CMS Luca Malgeri. «Atlas y CMS están realizando muchas búsquedas para sondear todas las formas de procesos inesperados que involucran a los Higgs Boson».

¿El viaje que aún se encuentra a continuación, lo que queda por aprender sobre el campo de Higgs y el Boson de Higgs diez años? Mucho ¿El campo de Higgs también da masa a los fermiones más ligeros o podría estar en juego otro mecanismo? ¿El Boson Higgs es una partícula elemental o compuesta? ¿Se puede interactuar con la materia oscura y revelar la naturaleza de esta misteriosa forma de materia? ¿Qué genera la masa y la autodesacción de Higgs Boson? ¿Tiene gemelos o parientes? Encontrar las respuestas a estas y otras preguntas intrigantes no solo aún más nuestra comprensión del universo en las escalas más pequeñas, sino que también puede ayudar a desbloquear algunos de los misterios más grandes del universo en su conjunto, como cómo se trataba de ser la forma en que es y cuál podría ser su destino final.

La autodensación de Higgs Boson, en particular, podría mantener las claves para una mejor comprensión del desequilibrio entre la materia y la antimateria y la estabilidad del vacío en el universo. Si bien las respuestas a algunas de estas preguntas pueden ser proporcionadas por los datos de la tercera ejecución inminente del LHC o de la actualización principal del colionante, se cree que las respuestas de alta luminosidad, de 2029, se cree que las respuestas a otros enigmas están más allá del alcance de la LHC, requiriendo un futuro ‘Higgs Factory’. Por esta razón, el CERN y sus socios internacionales están investigando la viabilidad técnica y financiera de una máquina mucho más grande y más poderosa, el futuro colisionador circular, en respuesta a una recomendación hecha en la última actualización de la estrategia europea para la física de partículas.

«Los colisionadores de alta energía siguen siendo el microscopio más poderoso a nuestra disposición para explorar la naturaleza en las escalas más pequeñas y descubrir las leyes fundamentales que gobiernan el universo», dice Gian Giudice, jefe del Departamento de Teoría de CERN. «Además, estas máquinas también traen tremendos beneficios sociales». Históricamente, el acelerador, el detector y las tecnologías de computación asociadas con los colliders de alta energía han tenido un impacto positivo importante en la sociedad, con invenciones como la World Wide Web, los desarrollos de detectores que llevaron a la PET (tomografía por emisión de positrones) y el diseño de Aceleradores para la terapia con hadrones en el tratamiento de los cánceres. Además, el diseño, la construcción y el funcionamiento de los colaboradores y experimentos de física de partículas han resultado en la capacitación de nuevas generaciones de científicos y profesionales en otros campos, y en un modelo único de colaboración internacional.

Proporcionado por el CERN

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