Si eres un fanático de la ciencia, debes estar al tanto de los resultados emocionantes que surgen del Large Hadron Collider (LHC), que en 2012 encontró el Bosón de Higgs, la partícula subatómica responsable de dar masa a las fundamentales partículas subatómicas.

Hoy, los físicos tienen otro anuncio emocionante para agregar a la saga de Higgs: han realizado la primera observación inequívoca de los bosones de Higgs que se descomponen en un par de quarks de materia-antimateria. Sorprendentemente, los bosones de Higgs se descomponen con mayor frecuencia de esta manera.

El nuevo anuncio muestra un fuerte acuerdo entre las predicciones teóricas y los datos experimentales, lo que a su vez podría establecer restricciones estrictas a las ideas de la física más fundamental que se esfuerzan por explicar por qué el Bosón de Higgs incluso existe.

Campo de sueños

En la década de 1960, los investigadores estaban investigando los vínculos entre la fuerza del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, que es responsable de algunos tipos de desintegraciones radiactivas. Aunque las dos fuerzas parecían distintas, resultó que ambas surgieron de una fuerza común y más fundamental, ahora llamada fuerza electrodébil.

Sin embargo, hubo un problema. La manifestación más simple de la teoría predijo que todas las partículas tenían masa cero. Incluso en la década de 1960, los físicos sabían que las partículas subatómicas tenían masa, por lo que era potencialmente un defecto fatal.

Varios grupos de científicos propusieron una solución a este problema: un campo impregna el universo y se llama campo de Higgs. Las partículas subatómicas fundamentales interactuaron con este campo, y esta interacción les dio su masa.

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La existencia del campo también implicaba la existencia de una partícula subatómica, llamada Bosón de Higgs, que finalmente fue descubierta en 2012 por investigadores que trabajan en el laboratorio de la European Organization for Nuclear Research (CERN) en Suiza. Por sus predicciones sobre el campo de Higgs, el físico británico Peter Higgs y el físico belga François Englert compartieron el Premio Nobel de Física 2013.

Encontrar los quarks inferiores

Los bosones de Higgs se fabrican en colisiones de alta energía entre pares de partículas que se han acelerado a casi la velocidad de la luz. Estos bosones no viven mucho tiempo, solo aproximadamente 10 ^ menos 22 segundos. Una partícula con esa vida, viajando a la velocidad de la luz, se descompondrá mucho antes de que viaje una distancia del tamaño de un átomo. Por lo tanto, es imposible observar directamente los bosones de Higgs. Solo es posible observar sus productos de degradación y usarlos para inferir las propiedades del bosón padre.

Los bosones de Higgs tienen una masa de 125 gigaelectron volts (GeV), o uno que es unas 133 veces más pesado que un protón. Cálculos de teoría bien establecida predice que los bosones de Higgs decaen en pares de las siguientes partículas en los siguientes porcentajes: quarks inferiores (58 por ciento), bosones W (21 por ciento), bosones Z (6 por ciento), leptones tau (2.6 por ciento) y fotones ( 0.2 por ciento). Configuraciones más exóticas componen el resto. Uno de los resultados clave del anuncio de hoy fue verificar que la predicción era correcta para los quarks inferiores.

Cuando los físicos anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, confiaron en su descomposición en bosones Z, bosones W y fotones, pero no en quarks inferiores. La razón es extremadamente simple: esas desintegraciones particulares son mucho más fáciles de identificar.

En las energías de colisión disponibles en el LHC, los bosones de Higgs se producen en una sola colisión por cada mil millones. El gran número de colisiones en el LHC ocurre a través de la interacción de la fuerza nuclear fuerte, que es (por lejos) la más fuerte de las fuerzas subatómicas y es responsable de mantener unido el núcleo de los átomos.

El problema es que en las interacciones que involucran la fuerza fuerte, la producción de un par de quarks de fondo materia-antimateria es realmente bastante común. Por lo tanto, la producción de quarks inferiores por los bosones de Higgs que se descomponen en quarks inferiores está totalmente inundada por pares de quarks inferiores formados por procesos más ordinarios. En consecuencia, es esencialmente imposible identificar aquellos eventos en los que los quarks inferiores se producen a través de la descomposición de los bosones de Higgs. Es como tratar de encontrar un solo diamante en un tambor de 50 galones llenos de zirconia cúbica.

Esta exhibición de eventos de ATLAS muestra una colisión protón-protón dentro del Gran Colisionador de Hadrones que tiene características de un Higgs que se descompone en dos quarks inferiores. Crédito: ATLAS

Debido a que es difícil o imposible aislar las colisiones en las que los bosones de Higgs se descomponen en quarks inferiores, los científicos necesitaron otro enfoque. Por lo tanto, los investigadores buscaron una clase diferente de eventos: colisiones en las que se produjo un bosón de Higgs al mismo tiempo que un bosón W o Z. Los investigadores llaman a esta clase de colisiones “producción asociada”.

Los bosones W y Z son responsables de causar la fuerza nuclear débil y pueden descomponerse de maneras distintas y fácilmente identificables. La producción asociada ocurre con menor frecuencia que la producción de Higgs no asociada, pero la presencia de bosones W o Z mejora en gran medida la capacidad de los investigadores para identificar eventos que contienen un bosón de Higgs. La técnica de producción asociada de un bosón de Higgs fue pionera en el Fermi National Accelerator Laboratory , ubicado a las afueras de Chicago. Debido al acelerador de partículas de menor energía de la instalación, el laboratorio nunca pudo afirmar que había descubierto el bosón de Higgs, pero el conocimiento de sus investigadores jugó un papel importante en el anuncio de hoy.

El acelerador LHC alberga dos detectores de física de partículas grandes capaces de observar bosones de Higgs: el Compact Muon Solenoid (CMS) y un A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS). Hoy, ambas colaboraciones experimentales anunciaron la observación de la producción asociada de bosones de Higgs, con la decadencia específica de los bosones de Higgs en un par de quarks de fondo materia-antimateria.

El LHC continuará operando hasta principios de diciembre. Luego, suspenderá las operaciones durante dos años para ser restaurado y actualizado. En la primavera de 2021, reanudará las operaciones con capacidades considerablemente mejoradas. Se espera que el acelerador y los detectores continúen tomando datos hasta mediados de la década de 2030 y que registren más de 30 veces más datos de los que se han registrado hasta ahora. Con ese aumento de datos y capacidades mejoradas, es bastante posible que el Bosón de Higgs todavía tenga historias que contar.