Wednesday, April 16, 2014
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La caza de la partícula de Higgs

CAMBRIDGE – Hace cincuenta años, los físicos de partículas se encontraron con un desafío inesperado. Sus mejores modelos matemáticos daban cuenta de algunas de las fuerzas naturales que explican la estructura y el comportamiento de la materia en un nivel básico (por ejemplo, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, responsable de la desintegración radioactiva). Pero esos modelos funcionaban con la condición de que las partículas que forman parte de los átomos no tuvieran masa. ¿Cómo podía ser que cuando esas partículas se unen en grandes conglomerados (proteínas, personas, planetas) exhiban el comportamiento que conocemos, si sus elementos constitutivos no pesan absolutamente nada?

Algunos físicos idearon una solución ingeniosa: propusieron que existía un tipo de partícula que todavía no se había detectado (y que con el tiempo fue bautizada en honor del físico británico Peter Higgs). Los físicos llevan medio siglo buscando esta escurridiza “partícula de Higgs”. Pero ahora, después de algunas investigaciones realizadas en el CERN (un laboratorio de física de partículas que se extiende sobre una amplia zona en las cercanías de Ginebra), es posible que esta caza esté cerca del final.

A primera vista, la idea que está detrás de la partícula de Higgs suena extravagante. Higgs y sus colegas propusieron que en realidad ninguna partícula elemental tiene masa (exactamente como piden los modelos matemáticos) y que, por tanto, en condiciones normales todas las partículas deberían volar a la velocidad de la luz. Pero supongamos que todo lo que nos rodea (cada partícula del universo, sin excepción) está sumergido en un inmenso océano de partículas de Higgs, jamás detectado. Cuando la mayoría de las otras partículas van del punto A al punto B, chocan todo el tiempo con partículas de Higgs, y eso las frena. Al observarlas, nos parece que se movieran con el paso entorpecido de unos compradores que deambulan por una tienda abarrotada en época de rebajas. En virtud de esa lentitud, inferimos que tienen masa.

Buscar durante 50 años una partícula hipotética que parece salida de un cuento fantástico puede verse como una quijotada, pero la partícula de Higgs es un componente central del “Modelo Estándar” de la física de partículas. Hasta ahora, los resultados de todas las pruebas experimentales a las que se sometió este modelo coincidieron con las expectativas teóricas. En algunos casos llamativos, la equivalencia entre los valores predichos y las mediciones alcanzó los doce decimales, lo que convierte al Modelo Estándar en la teoría científica más exacta de la historia de la humanidad. Y es un modelo que explica satisfactoriamente tres de las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza; sólo la gravedad queda fuera de su ámbito.

Es posible que en los primeros momentos de la historia del cosmos, las partículas de Higgs hayan tenido un papel incluso más importante. Mis investigaciones (junto con las de físicos de todo el mundo) se centraron en los efectos que pueden haber tenido estas partículas cuando todavía no había transcurrido un segundo entero desde el Big Bang, efectos que podrían explicar la forma y el destino del universo.

Pero a pesar de todo, todavía no tenemos pruebas directas de que las partículas de Higgs existan. El Modelo Estándar predice que estas partículas se dispersan entre sí, de modo que también deberían tener masa. Las últimas investigaciones indican que las partículas de Higgs (si es que existen) deberían ser una de las criaturas más pesadas del reino subatómico, con una masa más de 120 veces mayor que la de nuestro viejo conocido, el protón.

Producir una partícula como ésta en el laboratorio exige acelerar protones hasta casi la velocidad de la luz y hacerlos chocar entre sí, algo que el Gran Colisionador de Hadrones del CERN logra billones de veces cada segundo. En estas energéticas colisiones se producen residuos de todo tipo, que los físicos registran cuidadosamente con enormes detectores y luego clasifican con la ayuda de sofisticados algoritmos informáticos.

Pero en esta caza de la partícula de Higgs, los físicos tropiezan con dos grandes obstáculos. En primer lugar, deben identificar en los residuos ciertos patrones que puedan deberse a la producción y rápida desintegración de una de estas partículas. La señal que se busca es algo sobre lo que en principio no hay dudas, gracias a lo que conocemos sobre el Modelo Estándar. También se sabe cómo es el ruido de fondo producido por la variedad de residuos que salen volando cuando dos protones cargados con niveles colosales de energía chocan entre sí. Es como buscar unas pocas agujas (partículas como las de Higgs) en un pajar inconcebiblemente grande; los físicos deben revisar cuidadosamente los datos que obtienen para ver si pueden descubrir en los residuos anomalías que no se puedan atribuir a procesos conocidos.

La segunda dificultad se relaciona con la estadística. Las leyes de la teoría cuántica, en las que se basa el Modelo Estándar, son básicamente probabilísticas. Siempre encontraremos en los datos rachas estadísticas, igual que en una serie cualquiera de tiradas de una moneda se puede producir una sucesión inesperada de siete “caras” una detrás de la otra.

Para estar seguros de que la moneda es normal y de que no tiene ninguna propiedad oculta, hay que registrar una cantidad suficiente de tiradas de la moneda y ver si en ese período los datos contienen una cantidad similar de “caras” y “cruces”. Si después de tirar la moneda varios miles de veces los datos todavía muestran una mayor tendencia a que salga “cara”, es razonable pensar que la moneda posee propiedades inusuales.

Lo mismo vale para los residuos que se producen cuando chocan los protones. Antes de asegurar que las anomalías realmente se deben a la presencia de partículas de Higgs, los físicos deben reunir una cantidad suficiente de datos para descartar una posible racha.

En el CERN, dos equipos de físicos independientes entre sí anunciaron hace poco haber obtenido datos compatibles con la detección de una partícula de Higgs, aunque seguía habiendo una probabilidad de uno en dos mil de que la señal proviniera de procesos más prosaicos, no relacionados con la partícula buscada. Por eso, los investigadores seguirán haciendo chocar protones y reuniendo más datos, en busca de señales de esta clase de partículas.

Es posible que no hayamos atrapado a la partícula de Higgs todavía. Pero las últimas noticias son la señal más clara de que esta búsqueda cincuentenaria de uno de los ladrillos más elementales de la materia puede estar muy cerca de un final feliz. Así que la próxima vez que los físicos del CERN convoquen una conferencia de prensa, tal vez sea para darnos noticias de peso.

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