Todos conocemos y amamos el bosón de Higgs, que para disgusto de los físicos se ha etiquetado erróneamente en los medios como la «partícula de Dios», una partícula subatómica que se detectó por primera vez en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en 2012. Esa partícula es una pieza de un campo que impregna todo el espacio-tiempo; interactúa con muchas partículas, como los electrones y los quarks, proporcionando masa a esas partículas, lo cual es bastante bueno.

Pero el Higgs que vimos era sorprendentemente ligero. Según nuestras mejores estimaciones, debería haber sido mucho más pesado. Esto abre una pregunta interesante: Claro, vimos un bosón de Higgs, pero ¿era ese el único bosón de Higgs? ¿Hay más flotando por ahí haciendo sus propias cosas?

Aunque todavía no tenemos pruebas de un Higgs más pesado, un equipo de investigadores con sede en el LHC, el mayor destructor de átomos del mundo, está investigando esa pregunta mientras tanto. Y se dice que a medida que los protones se aplastan juntos dentro del colisionador en forma de anillo, las fuertes Higgs e incluso las partículas de Higgs compuestas por varios tipos de Higgs podrían salir de su escondite.

Si el Higgs pesado realmente existe, entonces debemos reconfigurar nuestra comprensión del Modelo Estándar de la Física de Partículas con la nueva conclusión de que el Higgs tiene mucho más de lo que parece. Y dentro de esas interacciones complejas, podría haber una pista de todo, desde la masa de la partícula fantasma de neutrinos hasta el destino final del universo.

Todo sobre el Bosón

Sin el bosón de Higgs, casi todo el Modelo Estándar se viene abajo. Pero para hablar sobre el bosón de Higgs, primero debemos entender cómo el Modelo Estándar ve el universo.

En nuestra mejor concepción del mundo subatómico utilizando el Modelo Estándar, lo que consideramos partículas no es realmente muy importante. En cambio, hay campos. Estos campos impregnan y absorben todo el espacio y el tiempo. Hay un campo para cada tipo de partícula. Entonces, hay un campo para los electrones, un campo para los fotones, y así sucesivamente. Lo que ustedes piensan como partículas son realmente pequeñas vibraciones locales en sus campos particulares. Y cuando las partículas interactúan (por ejemplo, rebotando unas de otras), son realmente las vibraciones en los campos las que hacen una danza muy complicada.

El bosón de Higgs tiene un tipo especial de campo. Al igual que los otros campos, impregna todo el espacio y el tiempo, y también interactúa con los campos de todos los demás.

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

Pero el campo de Higgs tiene dos tareas muy importantes que hacer que ningún otro campo puede lograr.

Su primer trabajo es hablar con los bosones W y Z (a través de sus respectivos campos), los portadores de la fuerza nuclear débil. Al hablar con estos otros bosones, el Higgs puede darles masa y asegurarse de que permanezcan separados de los fotones, los portadores de la fuerza electromagnética. Sin la interferencia de funcionamiento del bosón de Higgs, todos estos portadores se fusionarían y esas dos fuerzas se fusionarían.

El otro trabajo del bosón de Higgs es hablar con otras partículas, como los electrones; A través de estas conversaciones, también les da masa. Todo esto funciona bien, porque no tenemos otra manera de explicar las masas de estas partículas.

Ligero y pesado

Todo esto se resolvió en la década de 1960 a través de una serie de matemáticas complicadas pero ciertamente elegantes, pero la teoría tiene un pequeño problema: no hay una manera real de predecir la masa exacta del bosón de Higgs. En otras palabras, cuando va a buscar la partícula (que es la pequeña vibración local del campo mucho más grande) en un colisionador de partículas, no sabe exactamente qué y dónde lo va a encontrar.

En 2012, los científicos del LHC anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs después de descubrir que algunas de las partículas que representan el campo de Higgs se habían producido cuando los protones se estrellaron unos contra otros a casi la velocidad de la luz. Estas partículas tenían una masa de 125 gigaelectronvolts (GeV), o aproximadamente el equivalente a 125 protones, por lo que es un poco pesada pero no increíblemente enorme.

El evento muestra las características esperadas desde la descomposición del bosón de Higgs hasta un par de fotones (líneas discontinuas amarillas y torres verdes). Crédito: By McCauley, Thomas; Taylor, Lucas – Wikimedia Commons

A primera vista, todo eso suena bien. Los físicos no tenían realmente una predicción firme para la masa del bosón de Higgs, por lo que podría ser lo que quisiera ser. Resulta que encontramos la masa dentro del rango de energía del LHC.

Excepto que existen algunas medias predicciones vacilantes, tipo de clase sobre la masa del bosón de Higgs basadas en la forma en que interactúa con otra partícula, el quark top. Esos cálculos predicen una forma numérica superior a 125 GeV. Podría ser que esas predicciones estén equivocadas, pero luego tenemos que regresar a las matemáticas y descubrir dónde van las cosas. O el desajuste entre las predicciones generales y la realidad de lo que se encontró dentro del LHC podría significar que hay más en la historia del bosón de Higgs.

Enormes higgs

Muy bien podría haber una gran cantidad de bosones de Higgs que son demasiado pesados ​​para que podamos verlos con nuestra generación actual de colisionadores de partículas.

De hecho, algunas teorías especulativas que empujan nuestro conocimiento de la física más allá del Modelo Estándar predicen la existencia de estos pesados ​​bosones de Higgs. La naturaleza exacta de estos caracteres adicionales de Higgs depende de la teoría, por supuesto, que abarca desde simplemente uno o dos campos de Higgs extra pesados ​​hasta estructuras compuestas de múltiples tipos diferentes de bosones de Higgs pegados.

El nacimiento de un bosón de Higgs. Crédito: CERN

Los teóricos están trabajando duro tratando de encontrar cualquier forma posible de probar estas teorías, ya que la mayoría de ellas son simplemente inaccesibles a los experimentos actuales. En un artículo reciente presentado en el Journal of High Energy Physics, y publicado en línea en el diario preimpreso arXiv, un equipo de físicos ha presentado una propuesta para buscar la existencia de más bosones de Higgs, basada en la peculiar forma en que las partículas podrían descomponerse. Partículas más ligeras, más fácilmente reconocibles, como electrones, neutrinos y fotones. Sin embargo, estos decaimientos son extremadamente raros, por lo que si bien podemos en principio encontrarlos con el LHC, tomará muchos más años de búsqueda para recopilar datos suficientes.