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CIENCIA. Detectado proceso de desintegración del bosón de Higgs extremadamente raro

 

Concepción artística de una colisión de partículas.

En 1964, el físico británico Peter Higgs escribió un artículo histórico en el que planteaba la hipótesis de por qué las partículas elementales tienen masa. Predijo la existencia de un "campo" tridimensional que impregna el espacio y arrastra todo lo que pasa por él. Algunas partículas tienen más problemas para atravesar el campo que otras, y esto corresponde a que son más pesadas. Si el campo, más tarde denominado campo de Higgs, realmente existe, entonces Higgs dijo que debe tener una partícula asociada: el bosón de Higgs.

Damos un salto de 48 años adelante en el tiempo: el 4 de julio de 2012, los físicos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el destructor de átomos más grande del mundo en Ginebra, Suiza,  anunciaron que habían descubierto por fin una partícula similar a Higgs . Si la nueva partícula resulta ser el bosón buscado, confirmará casi cinco décadas de teoría de la física de partículas, que incorporó el bosón de Higgs a la familia de partículas conocidas y ecuaciones que las describen conocidas como Modelo Estándar.

La búsqueda del Higgs ganó un nivel de atención pública inusual para la física, en parte gracias al libro de 1993 del físico Leon Lederman "The God Particle" (Dell Publishing). Lederman le dio al Higgs su apodo piadoso porque la partícula es "tan central para el estado de la física actual, tan crucial para nuestra comprensión final de la estructura de la materia, pero tan difícil de alcanzar", escribió en el libro. Sin embargo, bromeó diciendo que la segunda razón era que "el editor no nos dejaría llamarlo Partícula Maldita, aunque ese podría ser un título más apropiado, dada su naturaleza malvada y el gasto que está causando".

Los científicos pueden haber observado al bosón de Higgs haciendo un nuevo truco: crear pares de muones.

De hecho, el bosón de Higgs eludió la detección mediante la construcción y el apagado de dos costosos colisionadores de partículas de alta energía construidos parcialmente con el propósito de detectarlo. En estos colisionadores, las partículas se aceleran a través de un túnel y luego se rompen por colisión, produciendo un exceso de energía que a veces toma la forma de partículas nuevas y exóticas. Solo el Gran Colisionador de Hadrones en el Laboratorio CERN, el colisionador de partículas más poderoso jamás construido, resultó para sondear energías lo suficientemente altas como para generar una partícula de Higgs, que es aproximadamente 125 veces la masa de un protón.

Una simulación ilustra la desintegración del bosón de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC)



¿Qué hace realmente la partícula de Higgs y el campo asociado con él?

En física, cuando las partículas interactúan con los campos, la interacción debe estar mediada por una partícula. Las interacciones con el campo electromagnético (EM), por ejemplo, están mediadas por fotones o partículas de luz. Cuando un electrón cargado negativamente es atraído por el campo EM hacia un protón cargado positivamente, el electrón experimenta el campo EM absorbiendo y emitiendo un flujo constante de "fotones virtuales", fotones que aparecen y desaparecen momentáneamente solo con el propósito de mediar en la interacción partícula-campo. Además, cuando el campo EM está "excitado", lo que significa que su energía se enciende en un cierto punto, ese brote es, en sí mismo, un fotón, uno real en ese caso.


Experimento Compact Muon Solenoid en el Gran Colisionador de Hadrones. Crédito: CERN / CMS



En la misma línea, la partícula de Higgs media las interacciones con el campo de Higgs y es en sí misma una excitación del campo de Higgs. Se cree que las partículas caminan penosamente a través del campo de Higgs (adquiriendo así masa) al intercambiar partículas virtuales de Higgs con él. Y, según se piensa, una partícula de Higgs real sale a la superficie cuando el campo se excita y se enciende con energía en un lugar determinado. 

La detección de un brote de este tipo (es decir, la partícula) es la forma en que los físicos pueden estar seguros de que existe el campo en sí. En el LHC, lograron golpear los átomos con la suficiente fuerza como para generar, por un instante fugaz, una excitación de 125 giga-electrón-voltios de lo que probablemente era el campo de Higgs. El estallido tenía todas las características de un bosón de Higgs.

Imagen del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN de Ginebra



Una forma de demostrar un acoplamiento entre Higgs y otras partículas es observar sus productos de descomposición. La existencia del bosón de Higgs es fugaz - una vez que aparece, la partícula "vive" por sólo 15,6 mil billones-billones (1,56x10 ^ -22) de un segundo - rompiéndose casi inmediatamente en otras partículas. 

Cada vez que los físicos detectan una nueva partícula de desintegración de Higgs, eso demuestra un "acoplamiento" entre el Higgs y las partículas que salen de su desintegración, dicen los físicos. Y ese acoplamiento prueba que el campo de Higgs realmente imbuye masa a la partícula emergente.

Por lo general, el Higgs se descompone en partículas más masivas, como pares de quarks inferiores. Pero si se crean suficientes bosones de Higgs en el LHC, algunos de ellos deberían descomponerse en partículas más ligeras a las que se acopla, como los muones.

En la actualidad, existe evidencia convincente, pero aún no abrumadora, de que el Higgs se está descomponiendo en pares de muones en el LHC. Los investigadores que trabajaban en datos del Compact Muon Solenoid (CMS), uno de los varios detectores de partículas del LHC, encontraron un "exceso" de muones "volando" alrededor del LHC.

Esta cifra redondea los datos de muones que conducen a la detección aparente. Un pequeño pico alrededor de 126 GeV en el eje x (la masa de un bosón de Higgs), difícil de detectar incluso con un ojo entrenado, sugiere que los bosones de Higgs se estaban descomponiendo en pares de muones en el detector.(Imagen: CMS / CERN)


Con la ayuda de algoritmos de aprendizaje automático, los investigadores demostraron que esta pequeña cosecha de muones inexplicables tiene solo un 0,27% de surgir por casualidad. Los físicos llaman a ese nivel de certeza de que han encontrado una señal y no solo ruido "tres sigma". Los investigadores que trabajan en ATLAS, un experimento relacionado con el LHC, también encontraron evidencia de acoplamiento del muón de Higgs , pero solo a dos sigma. Eso equivale a un 4,5% de probabilidad de que su señal sea solo ruido de fondo.

Un muón es también lo que se conoce como partícula de segunda generación. Las partículas de fermiones de primera generación, como los electrones, son las más ligeras; Las partículas de segunda y tercera generación pueden descomponerse para convertirse en partículas de primera generación. El nuevo hallazgo representa la primera evidencia de que el bosón de Higgs interactúa con los fermiones de segunda generación.

Los futuros colisionadores podrían ajustarse a la masa de Higgs y producir suficientes eventos para generar acoplamientos aún más raros. Y a medida que los detectores se vuelven más sensibles, pueden aparecer discrepancias con el modelo estándar, lo que abre el camino hacia nuevas ideas en el mundo de la física.

Fuente: Joseph Lykken et al. The future of the Higgs boson, Physics Today (2013). DOI: 10.1063/PT.3.2212


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