Para entender un poco más la relevancia de descubrimiento que hoy cumple 10 años (*)

A partir de teorías elegantes basadas en consideraciones de simetrías de la naturaleza, en los años 60 se construyó el Modelo Estándar  de las partículas y sus interacciones. En este modelo las interacciones electromagnéticas y débiles se describen como una teoría unificada a altas energías -la teoría electrodébil- y sus predicciones fueron probadas a niveles de precisión increíbles. El problema con la idea de la unificación electrodébil era que para que funcione matemáticamente, las partículas mediadoras de estas fuerzas debían ser no masivas. Si agregamos en la teoría la masa de las partículas como una propiedad intrínseca de las mismas, deja de valer la simetría que debía preservarse para dar lugar a la interacción. Claramente éste no era el camino a seguir y se planteó entonces en la comunidad un problema conceptual importante. ¿Quizás algo ocurre a altas energías que hace que estas fuerzas luzcan unificadas con mediadores no masivos, aun cuando a bajas energías se manifiestan como dos interacciones diferentes, las interacciones débiles mediadas por partículas muy masivas y los procesos electromagnéticos mediados por el fotón. De algún modo la simetría electrodébil presente a altas energías tendría que romperse. La solución la proponen Peter Higgs, Robert Brout y Francois Englert, que consiste en agregar un mecanismo para la ruptura de la simetría electrodébil de manera sutil, y por el cual además las partículas adquieren masa, completando así el modelo y la descripción de los fenómenos de la naturaleza. Nos referimos generalmente a este mecanismo como de “ruptura espontánea de simetría” que se logra introduciendo un campo escalar complejo que implica la existencia de un bosón escalar llamado el bosón de Higgs. Las partículas adquieren una masa proporcional a la intensidad de la interacción que sufren con el campo de Higgs.

 

Entendimos así que para completar el Modelo Estándar y que este resulte una teoría consistente de partículas con masa y sus interacciones, necesitábamos que la partícula asociada al campo de Higgs existiera pero…¿Cómo y dónde la buscamos? El camino era claro, teníamos que buscar al Higgs en las colisiones de partículas a muy altas energías en los aceleradores más potentes…y para eso  necesitábamos construir el Gran Colisionados de Hadrones (LHC)!

El LHC es un acelerador circular en el que dos haces de protones (o dos haces de iones pesados) que  viajan en sentidos opuestos por dos tubos con altísimo vacío son manipulados usando dispositivos que generan campos magnéticos y eléctricos. Las partículas dan vueltas y mas vueltas por los tubos del LHC, aumentando su energía cada vez que pasan por una cavidad aceleradora que, basándose en campos eléctricos variables, se encarga de acelerarlas hasta las altísimas energías de diseño que llegan hasta los 7 TeV. Para guiar a las partículas manteniéndolas siempre en el interior del anillo usamos potentes campos magnéticos producidos por imanes superconductores que para su funcionamiento deben ser enfríados a  -271.3 °C.

Sabemos a partir de cálculos con las teorías de campo cuánticas, que la probabilidad de generar las partículas más pesadas, entre las que podría encontrarse el Higgs, es muy baja. Esto quiere decir que sólo en muy pocas de las colisiones entre protones del LHC puede crearse un bosón de Higgs. ¡Sólo en una de cada cuatrocientas mil millones de colisiones! En estas poco sutiles cuestiones radica el enorme desafío de construir el LHC con un rango de energías nunca antes alcanzado y con la más  alta luminosidad para tener el mayor número de colisiones en el menor tiempo. En el LHC hay siete detectores. Los más grandes son ATLAS y CMS, situados en puntos opuestos del anillo y son los únicos detectores multipropósito para detectar y analizar todas las partículas que se producen en las colisiones de partículas en el LHC; le siguen en tamaño ALICE y LHCb, que son detectores con características específicas para estudiar cierto tipo de procesos y partículas.

La obsesión de los físicos de ATLAS y de CMS desde que empezó el funcionamiento del LHC fue  el desarrollo de investigaciones con sofisticados algoritmos de análisis de datos, incluyendo aquellos con Machine Learning ampliamente usados en otros campos en la actualidad, que resulten en la mayor cantidad de eventos de la señal que buscamos (eventos-con-Higgs) y menor cantidad de eventos de fondo (eventos-sin-Higgs).  Todos los estudios realizados en los años previos a la puesta en marcha del LHC en el 2010, indicaban que algunos modos de desintegración del Higgs tienen una relación señal a ruido más grande que otros. Puede incluso que no se trate de los modos con mayor probabilidad, pero son “de oro” desde el punto de vista de la  física experimental. Por esta razón, la búsqueda empezó en eventos donde el Higgs pudiera producirse desintegrándose en un par de bosones Z, cada uno de los cuales se desintegrarían instantáneamente en un par de leptones (electrón-positrón, o muón-antimuón). Y también buscamos en el muy raro modo de desintegración a dos fotones. Un Higgs que se desintegra en dos fotones es poco probable (ocurre menos del 1% de las veces) y sufre de una enorme contaminación de ruido  pero tiene un atractivo imposible de resistir desde el punto de vista experimental: las huellas de dos fotones en los detectores del LHC son muy claras lo que nos facilita su observación.

Luego de casi dos años de intensa actividad experimental, el 4 de julio de 2012, los voceros de los dos experimentos, Fabiola Gianotti por ATLAS y Joe Incandela por CMS realizaron el gran anuncio: La señal clara de eventos con Higgs apareciendo por encima del fondo.

La masa del bosón de Higgs no era predicha por la teoría, de modo que la determinación experimental de este parámetro del Modelo Estándar tenía que ser prioridad. Los valores mas recientes publicados por ATLAS (mH = 124.97 ± 0.24 GeV) y CMS (mH = 125.38 ± 0.14 GeV) nos dicen que ya conocemos la masa del Higgs con una precisión de 0.1 %!

Los experimentos del LHC han medido en estos 10 años los principales modos de decaimiento del bosón de Higgs, en  pares de fotones, de W o Z, de leptones tau, quarks b y aún muones!  Estas medidas a su vez pueden separarse de acuerdo a los principales mecanismos de producción del bosón de Higgs en el LHC: fusión de gluones, fusión de bosones W y Z, producción asociada con bosones W y Z, y producción asociada con quarks top. Todos los modos de producción  del Higgs y estos decaimiento han sido observados y medidos con una gran precisión, en algunos casos con una sensibilidad experimental que alcanza la precisión actual de los cálculos teóricos. Cuando estos resultados se combinan nos permiten ver con más detalle las propiedades de esta partícula única en su especie. En particular, tanto ATLAS como CMS fueron capaces de descifrar la jerarquía de las intensidades relativas de los acoplamientos del Higgs a las demás partículas, sin dudas uno de los logros mas destacables! Recordemos que en el Modelo Estándar los acoplamientos Yukawa entre el bosón de Higgs y los fermiones son proporcionales a la masa del fermión, mientras que el acoplamiento a los bosones Z y W es proporcional al cuadrado de la masa de estos bosones vectoriales. El resultado experimental es realmente impactante, porque indica cómo la intensidad del acoplamiento crece con la masa de las partículas elementales como predice el Modelo Estándar. Y esto vale a través de un enorme rango de masas, desde la masa del top (la partícula elemental más pesada) hasta el muón (1600 veces más liviana que el quark top).

(*) Fragmentos del libro “Qué es el Bosón de Higgs” de M. T. Dova, Ed. Paidós (2015).
Todas las imágenes  son de ATLAS Collaboration/CERN)

 

Los próximos pasos.

A pesar del enorme progreso y de resultados extraordinarios que parecen indicar una gran consistencia con la predicciones del Modelo Estándar, mucho queda por investigar para caracterizar completamente a la partícula descubierta en 2012 ¿Será ese bosón realmente el responsable de la ruptura espontánea de simetría electrodébil? Con el descubrimiento del bosón de Higgs se abre también una nueva posibilidad para estudiar la naturaleza de la materia oscura. La idea se basa en algunas extensiones teóricas del Modelo Estándar que proponen la existencia de algunas partículas, como podría ser el bosón de Higgs, que actúan como un “portal” entre las partículas conocidas y aquellas de la materia oscura. ¿Que otros secretos tiene el bosón escalar descubierto en 2012?

El 5 de Julio de 2022, marcando un nuevo hito, el LHC después de mas de tres años de parada técnica se pondrá nuevamente en funcionamiento, en lo que llamamos el Run-3. En los próximos años, se producirán más de cien millones de bosones de Higgs, permitiendo a los experimentos ATLAS y CMS buscar modos de producción y de decaimiento muy raros y exóticos e investigar regiones cinemáticas de muy difícil acceso experimental lo que, además de permitir estudiar todas las propiedades de esta partícula tan especial,  podría dar indicios de apartamientos de las predicciones del Modelo Estándar y el descubrimiento de Nueva Física!

 

El grupo del IFLP (CONICET_UNLP).

Integrantes del grupo de Física de Altas Energías del IFLP (CONICET-UNLP), miembros de la colaboración internacional del ATLAS, han aportado con importantes contribuciones a este histórico logro que hoy cumple 10 años, principalmente en el canal de decaimiento del Higgs en dos fotones. Asimismo, en el laboratorio de Altas Energías del IFLP se están desarrollando componentes para el sistema de Trigger de ATLAS para su funcionamiento en el LHC de Alta Luminosidad, que incluye hardware y su firmware en base a tecnologías de electrónica de frontera. El foco de las investigaciones del grupo en la actualidad se centra en la búsqueda de nuevas partículas e interacciones con datos de ATLAS, incluyendo la existencia de nuevos bosones de Higgs y procesos que podrían explicar la materia oscura del universo. Esta frenética actividad que tenemos hoy en el campo tanto teórico como experimental de la física de altas energías promete darnos nuevos y excitantes conocimientos sobre el bosón de Higgs y su rol crucial para la física del universo!

El 4 de Julio se llevará a cabo un simposio (Symposium 10th anniversary of the Higgs boson discovery) en el CERN que puede seguirse via internet en todo el mundo: Go to Indico Event, webcast in English 

El inicio del Run-3 el 5 de Julio puede seguirse en vivo desde las 11:00 en: Facebook, YouTube, Instagram or LinkedIn.