Física -- Bosón de Higgs

El bosón de Higgs es la última pieza del modelo estándar que queda por descubrir. Su descubrimiento requiere comparar las predicciones teóricas del modelo estándar con los resultados de los colisionadores de hadrones (colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón del Fermilab y protón-protón en el LHC del CERN). Pero estas predicciones teóricas son muy díficiles de calcular y su valor (y su incertidumbre) cambian conforme mejoran los cálculos y las técnicas para calcularlas. Estos cambios, a veces, hacen que parezca más fácil encontrar el Higgs de lo que se creía, pero otras veces, por contra, hacen que parezca aún más difícil encontrarlo. Me gustaría destacar en esta entrada el trabajo de los físicos teóricos que se dedican a realizar estos cálculos, claves en la búsqueda del Higgs (y en toda la física más allá del modelo estándar).

Un par de años en el LHC con colisiones a 8 TeV c.m. podrían ser suficientes para encontrar el bosón de Higgs, según los físicos más optimistas. Por ello, muchas voces reclaman que no se paren las colisiones en el LHC durante el año 2012, una vez alcanzado 1/fb de colisiones en 2011. Se estima que con colisiones hasta noviembre de 2012 se podrían alcanzar 8/fb de datos, suficientes para descartar al bosón de Higgs en el intervalo de masas de 114 a 600 GeV, si no existe, o encontrarlo, si existe. Según Steve Myers, responsable del mantenimiento del LHC, “sería una pena parar el LHC en 2012.” Ya lo hemos contado en este blog un parde veces, pero ahora se hacen eco de esta noticia en la mismísima Nature. Por ahora son solo rumores firmes, ya que la decisión final se anunciará en Chamonix 2011, “LHC Performance Workshop,” 24-28 enero 2011.

El 6 de diciembre de 2010 finalizaron las colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, que se despide hasta el 21 de febrero de 2011. Ha sido un año intenso y apasionante. El mejor resumen posible es que ha sido mucho más fácil de lo esperado alcanzar todos los objetivos. Los análisis de las colisiones, a día de hoy, pues todavía se están analizando los resultados de los últimos meses, nos lo cuentan en la conferencia “Conference on LHC First Data,” Ann Arbor, Universidad de Michigan, 12-14 dic. 2010. Mike Lamont (LHC team) nos cuenta cómo ha funcionado la máquina (no los detectores) en “LHC Status and Plans,” Conference on LHC First Data, December 12, 2010. El resumen de este primer año en los dos grandes detectores del LHC, llamados CMS y ATLAS, nos lo ofrecen Todd Adams, “CMS in 2010: A Very Good Year,” Conference on LHC First Data, December 12, 2010, y Hong Ma (On behalf of the ATLAS Collaboration), “The ATLAS Experiment,” Conference on LHC First Data, Ann Arbor, 12 dic. 2010. Para sus primos más pequeños, ALICE y LHCb, hay que recurrir a Jennifer Klay, “Alice Status,” y Miriam Calvo Gómez, “LHCb Status,” ambas hoy 12 dic. 2010. Pero en Michigan hay muchas otras charlas interesantes.

Todos sabemos las influencias tan misteriosas y extraordinarias que dicen los magufones provoca la Luna en nosotros y nuestro planeta: que si cambios de carácter, que si aumentan los suicidios, los partos prematuros, las broncas en las discotecas, que si hay que sembrar mijo con luna llena o recolectar el tomate en cuarto creciente. Muchas de ellas, la mayoría, son sólo eso, desvaríos de desocupados, pero hay algunas que no lo son y que pueden provocar cambios en nuestro ambiente mucho más drásticos e importantes de lo que nosotros suponemos.

El calor generado por la colisión de iones de plomo fue mayor al que se produce en el núcleo del Sol.

El Gran Colisionador de Hadrones consiguió crear un “mini-Big Bang” a través del choque de iones de plomo en lugar de protones.

Tommaso Dorigo ha impartido una charla hoy en el LHC Days titulada “Top at Tevatron,” cuyas transparencias todavía no están disponibles en la web indico del congreso. Tommaso nos resumió su charla el viernes pasado en su blog “How Important Is To Know The Value Of The Top Quark Mass?,” A Quantum Diaries Survivor, October 1st 2010.

Marko B. Popovic tras un análisis detallado de la estabilidad del Modelo Estándar hasta la escala de Planck ha conjeturado que el bosón de Higgs tiene una masa de 138’1 ± 1’8 GeV/c². Su estudio extiende un trabajo previo del Premio Nobel de Física de 1999, Martinus J. G. Veltman. La masa de las partículas elementales, como otros parámetros del modelo estándar, cambia con la energía. ¿Crece o decrece la masa en reposo del Higgs conforme la energía crece? Si decrece, puede existir una energía a la que esta masa se vuelva nula (Higgs Mass Zero Crossing (HMZC) scale). A energías mayores el bosón de Higgs se comportaría como un taquión (partícula de masa negativa). Si el Modelo Estándar es válido hasta la escala de energías de Planck el bosón de Higgs debe ser (1) más pesado de 137’0 ± 1’8 GeV/c² para que el vacío sea estable, (2) menos pesado de 171 ± 2 GeV/c² y (3) más ligero de 146’5 ± 2 GeV/c² para que haya una sola escala HMZC a una energía menor o igual que la escala de Planck.

Bosón de Higgs

El modelo cosmológico estándar (ΛCDM) se basa en la existencia de la inflación cósmica en los primeros instantes de la gran explosión. Si el bosón de Higgs existe debe afectar a la inflación. El inflatón (un bosón escalar) está acoplado con el Higgs (otro bosón escalar) gracias a la gravedad. Lo poco que sabemos en la actualidad sobre la inflación cósmica permite acotar la masa del bosón de Higgs para que sea compatible con todo lo que sabemos sobre los primeros instantes del universo. Lucia Aurelia Popa y Ana Caramete han calculado la masa del bosón de Higgs compatible con los datos cosmológicos actuales según WMAP7, SN y BAO.

El bosón de Higgs es una partícula resultado de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil. Estudiar esta ruptura de simetría (SBT) en laboratorio requiere utilizar una analogía física que reproduzca los primeros instantes de la gran explosión. Por primera vez se ha observado la SBT para un potencial similar al potencial de Higgs, en la escala de los femtosegundos, utilizando un sistema de estado sólido y medidas ópticas ultrarrápidas. La evolución temporal de una transición de fase por ruptura de la simetría no solo tiene aplicaciones en cosmología, también en física de la materia condensada, neurociencia y finanzas. Roman Yusupov y sus colegas han observado este tipo de transición de fase tanto para bosones como para fermiones gracias a nueva técnica de espectroscopia basada en tres pulsos en el régimen de los femtosegundos. Las observaciones experimentales concuerdan con los resultados esperados según las simulaciones numéricas basadas en la teoría de Ginzburg-Landau.

El bosón de Higgs es una partícula elemental hipotética masiva cuya existencia es predicha por el modelo estándar de la física de partículas. ...

Del 22 al 28 de julio ha tenido lugar la 31ª ICHEP (International Conference on High Energy Physics) en París. Se trata de la reunión internacional más importante de los físicos de alta energía, es decir, teóricos y experimentales del estudio de las partículas elementales, incluyendo el elusivo bosón de Higgs (al que el físico experimental Leon Lederman bautizó como “La partícula divina”); además, de la física más allá del llamado Modelo Estándar (http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Modelcura), ondas gravitacionales, telescopios de neutrinos, oscilaciones de neutrinos, materia obscura etcétera.

Imagina que se descubre el bosón de Higgs, ¿entenderemos el mecanismo de generación de masa de las partículas elementales? “Entender” significa entender, comprender, ser capaz de razonar desde la causa al efecto. Todo depende, ¿de qué depende? Depende de las propiedades que tenga el bosón de Higgs que se encuentre. El mecanismo de generación de masas más sencillo no nos permitirá entender nada porque es un mecanismo ad hoc. Puede sorprender a algunos, pero así es. El mecanismo de Englert-Brout-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble (o como queramos llamarlo) es un modelo fenomenológico que no explica por qué la interacción de una partícula con el bosón de Higgs dota de masa a esta partícula, ni explica cuánta masa recibe la partícula. El mecanismo afirma que cuanto más fuerte sea el acoplamiento más masa recibirá la partícula, algo que ayuda poco a la hora de entender el porqué. Nos lo cuenta muy bien Michael E. Peskin en “Beyond the Standard Model,” ArXiv, 30 May 1997.

Los resultados para la búsqueda del bosón de Higgs en el experimento CDF II del Tevatrón en el Fermilab, Chicago, con 6/fb de colisiones son una excusa excelente para tratar de responder a las preguntas sobre el bosón de Higgs que todo el mundo se hace y que solo algunos se atreven a cuestionar. Francis, de la mano de Jennifer Pursley (University of Wisconsin-Madison), tratará de responderlas. Una fuente, por favor. Claro, como no, “Updated Search for H→WW at CDF with 6 fb-1,” Fermilab Wine & Cheese Seminar, June 18, 2010. Recuerda que 1/fb se lee un inverso de femtobarn y más o menos corresponde a unos 10 billones (con b) de colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón.

Como si ayudar potencialmente a explicar por qué el universo está hecho de materia no fuese suficiente, un trío de físicos teóricos del Fermilab dicen que un nuevo resultado de DZero podría dar soporte a la creencia de que la historia de la materia tiene una secuela más allá del Modelo Estándar.

La colaboración DZero en el colisionador Tevatron del laboratorio, encontró que cuando las partículas conocidas como mesones B decaen, dan lugar a pares de muones significativamente más a menudo que a pares de antimuones. Aunque la diferencia es de apenas un 1 por ciento, fue una preferencia mucho mayor para la creación de materia frente a antimateria de la que habían encontrado experimentos anteriores – y una demasiado grande para explicarla mediante el Modelo Estándar de partículas y fuerzas. Este desequilibrio, conocido como asimetría, es importante debido a que explica por qué la materia y la antimateria, creadas en iguales cantidades en el Big Bang, no se aniquilaron simplemente entre sí; en lugar de esto, la materia se hizo dominante, permitiendo que existieran las personas y planetas.

Corría el año 1993 cuando el ministro británico de ciencias, William Waldegrave, notó que se estaba gastando mucho dinero en la búsqueda del bosón de Higgs, una partícula postulada en la teoría física, y acerca de la cual los ciudadanos nada sabían.

Fue entonces cuando Waldegrave desafió: “Aún no he decidido si mi departamento financiará los experimentos propuestos para buscar el bosón de Higgs, pero prometo financiar una botella de champagne a quien logre explicarme qué es”. Enseguida, los científicos británicos acudieron a su excelente inventiva, y el físico David J. Miller se ganó su botella de champagne tras elaborar la siguiente metáfora que intenta explicar lo que es el bosón de Higgs, para “dummies”.