The Hunt for the Higgs (La búsqueda del bosón de Higgs") es un documental de "BBC
Horizon" presentado por Jim Al-Khalili que ya se anticipaba a los recientes descubrimientos del CERN con relación a la
partícula de Higgs. En este filme se aprecia -tras bambalinas
en el CERN- una de las misiones científicas más épicas y costosas de
todos los tiempos: la búsqueda de la partícula que se cree da la masa
a todo en nuestro Universo. No obstante, la búsqueda de Higgs es parte de una
búsqueda mucho mayor, acerca de cómo funciona nuestro Universo, y que conduce a responder preguntas aún más acuciantes como el porqué de nuestra existencia como parte de una gran
teoría vital unificada de la naturaleza. En el corazón de la búsqueda de aquella esquiva
partícula está la misma característica que hace que los copos de nieve sean
hermosos y los rostros humanos atractivos: la idea simple y encantadora de la
simetría.
La física es una ciencia
experimental: solo acepta como un hecho científico aquello que es medible y
reproducible experimentalmente. La historia de la ciencia, sin embargo, ha
denigrado la práctica experimental durante mucho tiempo.
Afortunadamente, esa
tendencia ha sufrido un cambio desde los años 1980 y hoy son numerosos los
autores que se interesan en la práctica científica, insistiendo en su autonomía
y en su dinámica y lógica de conocimiento propias (1). Preguntas del tipo: ¿Cómo se desarrolla el trabajo cotidiano
de un investigador en física? ¿De qué manera se toman las decisiones en los
laboratorios de investigación? ¿Cómo se elige entre diferentes líneas de
investigación posibles? ¿Cómo se termina un experimento? ¿Cuál es el proceso
que lleva a grupos experimentales compuestos de numerosos investigadores a anunciar
un descubrimiento o, al contrario, a detener el experimento y cambiar de
proyecto? ¿En qué medida se toman tales decisiones con base en criterios
puramente científicos?... pueden así encontrar respuesta a través de un análisis
histórico-sociológico de la práctica experimental.
Otros historiadores se han
interesado más por cuestiones de carácter epistemológico, intentando
identificar las estrategias adoptadas por los científicos para convencerse de
la validez de sus resultados y poder defenderlos ante sus iguales. ¿Cuál es,
entonces, el proceso que lleva al experimentador a interpretar sus resultados,
a darles cierta validez y a establecer un consenso en cuanto a su verdadera
significación? Pregunta de plena actualidad después del anuncio, el pasado 4 de
julio, del descubrimiento en el CERN de una nueva partícula (2).
La Física de Altas Energías y el CERN
El CERN (Centro Europeo de
Investigación Nuclear) fue fundado en 1954, periodo en que Europa se encontraba
muy debilitada tras la II Guerra Mundial y en el que la colaboración científica
internacional se contemplaba como la vía para reconstruirse y poder competir
con los EE UU en la investigación en física fundamental. Las actividades del
CERN son financiadas por los estados miembro (3), representados en el Consejo por dos delegados, uno científico
y uno político, así como en otros órganos rectores del laboratorio. Cincuenta y
ocho años después de su fundación, el CERN es hoy el centro de investigación en
física más importante del mundo, donde casi 2.500 personas trabajan
cotidianamente y cerca de 6.500 científicos lo hacen de manera temporal en los
experimentos de física de altas energías.
La Física de Altas Energías
(HEP, High Energy Physics), o física de partículas, se ocupa del estudiode la
composición de la materia en su nivel más fundamental, así como de la naturaleza
de las interacciones entre estos constituyentes elementales. Esta disciplina nace
a finales de los años 1920 (4) (si
bien hay quien señala su nacimiento con el descubrimiento de la primera
partícula elemental: el electrón, por J. J. Thomson en 1897) y a partir de
finales de los anos 1940 los físicos comienzan a utilizar el termino HEP (5). Desde el surgimiento de la HEP,
enormes cambios -tanto teóricos como experimentales- han afectado a nuestra
comprensión profunda de la estructura de la materia. Los aparatos que permiten
a los físicos sondear los constituyentes elementales de la materia -sobre los
que aun existen muchas preguntas sin respuesta- son los llamados aceleradores
-y colisionadores- de partículas: máquinas en las que ciertas partículas que
componen la materia (protones en el caso del LHC del CERN) circulan en un tubo
de vacío, donde se aceleran y se hacen colisionar en puntos concretos (dentro
de los detectores) para así analizar los productos de sus interacciones. El
CERN se ha dotado, desde sus inicios, de diversos aceleradores de partículas.
La ultima adquisición, el Large Hadron Collider (LHC), es un colisionador
circular de 27 km de circunferencia y situado a 100 metros bajo tierra, que los
protones recorren diez mil veces por segundo a una velocidad próxima a la de la
luz. El LHC consta de cuatro detectores: ATLAS, CMS, ALICE y LHC-b, y los
experimentos llevados a cabo en los dos primeros son los responsables del anuncio, la pasada semana,
del descubrimiento de una nueva partícula nunca antes “vista”.
El Modelo estándar y el bosón de Higgs
La materia, en su nivel más
fundamental, se describe, pues, en términos de partículas elementales -opartículas
de materia- y de interacciones entre ellas -interacciones mediadas por el intercambio de un segundo tipo de partículas,
llamadas partículas mensajeras-. Cada una de las cuatro interaccionesfundamentales
de la naturaleza (fuerza electromagnética, fuerza gravitatoria, fuerza débil y
fuerza fuerte) tiene su partícula mensajera. Estas partículas mensajeras
pertenecen a la familia de los bosones, y son llamadas también “bosones de
intercambio”. Así, el fotón vehicula la interacción electromagnética, y los
gluones, mediadores de la fuerza fuerte, mantienen unidos a los quarks dentro
de protones y neutrones. La fuerza débil tiene a los bosones W y Z como
mediadores. En un anhelo de unificación, los físicos sostienen que estas
interacciones que conocemos hoy tienen un origen común y proceden todas de una
única interacción, presente unos instantes después del Big Bang (6). (Los aceleradores de partículas
son las máquinas que permiten recrear las condiciones existentes en el origen
del universo).
En los años 1960, Glashow, Weinberg
y Salam consiguieron una descripción matemática
precisa de la fuerza débil y la electromagnética, unificándolas en la así
llamada fuerza electrodébil, cuyos mediadores son los fotones y los bosones W y
Z. Esta teoría ha sido confirmada experimentalmente con el descubrimiento en el
CERN, en el año 1983, de las partículas mensajeras W± y Zo.La síntesis de los
avances en HEP desde los años 1940 es lo que se conoce, desde los 1980, como
Modelo estándar: la teoría dominante de la física de partículas y que reúne, en
una explicación coherente, la mayor parte de la información que hoy tenemos
sobre la materia a nivel fundamental. El Modelo estándar ha pasado con éxito
todas las pruebas experimentales a las que ha sido sometido y ha permitido
anticipar numerosos descubrimientos experimentales -como la existencia de quarks
pesados o de los bosones W y Z. El Modelo estándar tiene aún, sin embargo,
cuestiones abiertas y no es una teoría completa (no incluye, por ejemplo, la
gravedad). Una de las preguntas clave, y que ha motivado los experimentos que
se llevan a cabo en el LHC, viene motivada por la unificación de las
interacciones electromagnética y débil en los años 1960. Esta teoría tenía,
efectivamente, un problema. Si la fuerza electrodébil es una interacción
fundamental, ¿por qué las partículas mediadoras de la interacción
electromagnética, los fotones, no tienen masa, mientras que los bosones W y Z,
mediadores de la interacción débil, son muy pesados? La solución llegó en 1967
bajo la forma del mecanismo de Higgs.
Según el mecanismo de Higgs,
las partículas golpean continuamente un tipo de partículas mensajeras presentes
en todo el espacio: los bosones de Higgs. Esto frena su movimiento, del mismo
modo que si tuviesen masa. Decir que una partícula es muy pesada es lo mismo
que decir que interacciona fuertemente con el bosón de Higgs. Habría así
partículas, como los W y Z, entre otras, que interaccionan fuertemente con este
campo, o partículas, como los fotones, que no interaccionan con él y tienen
masa cero. Este es el mecanismo que se considera hoy en día como el origen de
la masa de todas las partículas elementales. El bosón de Higgs explica en
particular que elfotón tenga masa cero y que el resto de partículas elementales
tengan cierta masa, pero no explica, sin embargo, la variedad de sus masas. Es
a pesar de todo la explicación mas ampliamente aceptadapor la comunidad de
científicos, si bien existen otros modelos teóricos que no predicen el bosón de
Higgs (7).
La búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN
Si no sabemos siquiera si el
bosón de Higgs existe realmente, ¿cómo es posible buscarlo? La teoría predice
que, si existe, el bosón de Higgs es altamente inestable y se desintegra en una
pequeña fracción de segundo en dos partículas. La teoría no predice la masa del
bosón de Higgs, que está correlacionada con la clase de partícula en la que el
Higgs puede desintegrarse. Así, para un rango de masa posible entre 100 y 500
GeV/c2 (8), En física el bolsón de
Higgs puede desintegrarse en un par de bosones W, en un par de quarks b, en un
par de bosones Z, en un par de Taus, en un par de fotones, o aun en un par de
quarks top. Son los denominados “canales de desintegración”. En sus
investigaciones, los físicos consideran una posible masa del bosón de Higgs que
quieren estudiar y observan en qué partículas puede desintegrarse un bosón de
Higgs de esa masa. A continuación buscan ese tipo de partículas en los
detectores para ver si obtienen más de las que la teoría predice si no
existiera un bosón de Higgs de la masa estudiada. Esto es en lo que, desde hace
cuatro años, trabajan varios grupos experimentales
del LHC en el CERN, el único laboratorio en el mundo dedicado a ello tras el
cierre del Tevatron, en Fermilab, EEUU, en septiembre de 2011 debido a
problemas económicos. Los primeros resultados espectaculares, pero
preliminares, han sido desvelados por los portavoces de las experiencias
asociadas a los detectores CMS y ATLAS el pasado 4 de julio. Imposible entrar
en el auditorio principal del CERN donde se iban a hacer públicos los últimos
resultados sobre la búsqueda del bosón de Higgs (9).
Cuatro antiguos directores
generales del CERN, cuatro de los teóricos que han postulado la existencia del
bosón de Higgs, incluido Peter Higgs en persona, numerosos teóricos y
experimentales llenaban la sala. La cita era, pues, de suma importancia para la
comunidad científica. Desde Australia, donde tenía lugar la Conferencia
Internacional de Física de Altas Energías, se seguían en directo las presentaciones
por videoconferencia.Pero, ¿qué han descubierto? Ambas colaboraciones han
anunciado el descubrimiento de una nueva partícula, un bosón de masa 125,3 GeV
en CMS, y de 126,5 GeV en ATLAS. Los análisis tienen en cuenta los datos recopilados
por los detectores en 2011 y en 2012, hasta dos semanas antes del anuncio, para
los canales de desintegración: foton-foton, ZZ, tau-tau y par de quarks b. Pese
a que la cobertura mediática dada al evento, la presencia de Peter Higgs en la
audiencia, la manera de presentar los resultados, y los titulares de la mayor
parte de la prensa internacional nos hacen creer que es el descubrimiento del
bosón de Higgs lo que se ha anunciado, los físicos no cuentan todavía con datos
suficientes para afirmar tal cosa. Están buscando el bosón de Higgs, han
encontrado un bosón, pero no tiene aun la etiqueta que, de confirmarse, será
sin duda recompensada con un Nobel. Una vez que han fijado la masa -de
aproximadamente 126 GeV-, para probar ahora que se trata del bosón de Higgs hay
que verificar que la partícula encontrada tiene todas las características que
se atribuyen a este último. Una de ellas es, efectivamente, los modos de desintegración,
y en eso se basan los datos de partículas se usa indistintamente como unidad de
masa y de energía, ya que en relatividad ambas magnitudes se refieren a la
misma cosa. La relación de Einstein E=m·c² da lugar a la unidad de masa eV/c².
1 eV/c² = 1,783 × 10-36 kg. anunciados en el CERN, pero resta aun saber, por
ejemplo y entre otros datos, cual es el spin (10) de esta partícula.
Criterios de validación de un hecho científico
Según el Modelo estándar, el
bosón de Higgs se produciría en una de cada cuatro mil millones de colisiones
entre los protones del LHC. Es decir, que la frecuencia de aparición de un
evento tal es baja y es necesario provocar un enorme número de colisiones para
estar seguro de que lo que se ha “visto” es el bosón de Higgs y no una
fluctuación estadística, un error del análisis o del detector. Sin entrar en
detalles sobre la batalla entre “racionalistas” y “constructivistas” (11), los científicos utilizan
diferentes estrategias para proporcionar una creencia razonable en los
resultados que obtienen (12). Así, un
primer criterio importante para tomar en serio lo presentado en el CERN es que
dos experimentos diferentes, y que desconocían los resultados obtenidos por
cada uno, han encontrado el mismo efecto
-o uno muy similar (13).
Por otra parte, es necesario
realizar un enorme trabajo de eliminación de posibles fuentes de error y de
explicaciones alternativas al resultado. Este tipo de análisis ha sido
explicado en detalle por los portavoces
de los dos experimentos en sus conferencias, pero, como ellos mismos
mencionaron, los análisis son aun preliminares, y si bien se han realizado
muchas mejoras con respecto a la situación presentada en este mismo laboratorio
a finales de 2011, aun se necesitan meses, o años de trabajo, para tener
resultados definitivos. Otro criterio consiste en utilizar una teoría del
fenómeno independiente y bien corroborada para explicar los resultados. Si bien
el Modelo estándar no predice la masa del bosón de Higgs, el acuerdo entre las observaciones
y las predicciones teóricas, así como la confianza en este modelo, ha ayudado,
sin duda, a validar los resultados experimentales. Finalmente, el criterio
fundamental utilizado en física de partículas (adoptado por convención en los
años 1960) para decidir si un resultado experimental es suficientemente fiable para tomarlo en cuenta, es de
naturaleza estadística, y se trata de la desviación estándar, o σ. Los físicos
utilizan una escala de σ graduada de 1 a 5, que se puede traducir directamente
como el nivel de confianza en los resultados experimentales, es decir, en la probabilidad
de que el fenómeno o partícula observado no lo sea debido a un proceso
aleatorio diferente al buscado: un resultado a 1 σ tiene un nivel de confianza
del 68% ; un resultado a 3 σ tiene un
nivel de confianza del 99.7% y un resultado a 5
σ tiene un nivel de confianza del 99.9999% y es considerado como una
prueba sólida que corresponde a una probabilidad de error inferior a 0.00003%.
Se puede entonces anunciar un descubrimiento. Esto es lo que han hecho los
físicos del LHC, pero sólo han podido obtener el nivel de 5 σ tras combinar los resultados
correspondientes a cuatro canales de desintegración diferentes del bosón. Cada
uno de estos modos de desintegración por separado no alcanza realmente más que
2 σ en el mejor de los casos, o 1,5 σ en
otros. Dado que, si se trata de él, el bosón de Higgs debe poder ser detectado
con suficiente estadística a través de todos sus modos de desintegración, esto
quiere decir que es todavía necesario mucho trabajo para afirmar que estamos ante
el descubrimiento de la tan esperada “última” partícula elemental del Modelo
Estándar. Por no hablar de algunos dramáticos casos de anuncios de descubrimientos
en HEP con una confianza de 5 σ y que acabaron por “desaparecer” (14).
...
Conclusión
Probablemente el trabajo que
los físicos van a continuar realizando todo este año, con el rigor que les
caracteriza, confirmará las sospechas de que nos hallamos, efectivamente, ante
el bosón de Higgs. Pero es legítimo preguntarse
por qué el CERN -que no tiene
competencia de otros laboratorios en esta búsqueda- hace este anuncio ahora,
convoca a la prensa internacional e invita a los padres teóricos del
mecanismo de Higgs. En una época de grave crisis económica, ¿necesitaba el CERN
justificar a los estados miembros que los seis mil millones de francos suizos
que ha costado el proyecto LHC han sido bien utilizados? ¿Había que poner
término a los dieciocho años de espera desde el descubrimiento de la última
partícula elemental y dar -si esto fuera necesario- algo de crédito a la
investigación fundamental? (15)
Si los resultados anunciados
en el CERN el pasado 4 de junio se convierten finalmente en el anuncio del
descubrimiento del bosón de Higgs, habrán pasado casi cincuenta años entre su
postulado teórico y su descubrimiento. Significara además que los físicos podrán planificar con mas fundamentos
qué líneas de investigación seguir en el futuro próximo y de que manera y con
que objetivos plantear los proyectos de investigación en el LHC y en la era
post-LHC. Conviene entonces señalar que, hélas, esta planificación, así como el
eventual descubrimiento del bosón de
Higgs, podrían haberse llevado a cabo en
el propio CERN hace mas de una década, cuando el predecesor del LHC, el
colisionador LEP (16), estaba en
funcionamiento. Pero por entonces, cuestiones de orden político-económico
llevaron a los responsables del laboratorio a tomar la decisión de favorecer el naciente proyecto
LHC en detrimento del LEP, de manera que
los experimentos de este ultimo nunca han podido dar de sí todo lo que
era posible. Los avances en
investigación fundamental dependen a menudo de una intricada conjunción
de factores científicos, económicos, políticos e incluso sociales y culturales,
y el CERN no es una excepción.
Araceli Sánchez Varela, miembro del Consejo Editorial de Sin Permiso,
es asistente en Historia de la Ciencia en la Universidad de Ginebra, Suiza,
donde trabaja sobre la historia reciente del CERN.
NOTAS:
1 Entre ellos P. Galison, A. Franklin, H. Collins ou K. Staley
4 El primer acelerador de partículas, un ciclotrón, se construyo en
1931 en Berkeley, EEUU.
5 Con anterioridad a esta fecha, el estudio de las partículas era
considerado como parte de la física nuclear, y de esta manera se llamaban las instituciones y laboratorios
de investigación en este campo [como es el caso del CERN: Centre Européen de la
Recherche Nucléaire].
6 Como ejemplos exitosos de “unificación”, se encuentran la
demostración, por parte de Newton, de que la fuerza que mantiene a los planetas
girando en torno al sol y la fuerza que nos mantiene pegados a la superficie de
la Tierra es la misma. También Maxwell llevó a cabo la unificación de los
campos eléctricos y magnéticos, que hasta antes de su gran teoría, eran considerados
fenómenos separados y diferentes.
7 Ver, por ejemplo : http://en.wikipedia.org/wiki/Higgsless_model
8 El electronvoltio (símbolo eV) es una unidad de energía que
representa la energía cinética que adquiere un electrón cuando es acelerado por
una diferencia de potencial de 1 voltio.
9 http://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=197461
; https://www.youtube.com/watch?v=JAlgX4FNiyM
10 El spin es una propiedad cuántica intrínseca asociada a cada partícula
que la caracteriza como lo hacen también su masa o su carga eléctrica. Las
partículas con spin entero se llaman bosones y las partículas con spin
semientero son los fermiones.
11 Simplificando, un racionalista defiende la idea de la existencia
de estrategias de validación precisas que permiten al experimentador dar un
sentido a su experimento y validarlo; los constructivistas relacionan la
adopción de los resultados de un experimento únicamente a su utilidad futura
para el campo en cuestión, así como al grado en que los resultados coinciden con los compromisos
ideológicos de las partes interesadas.
12 A. Franklin, Selectivity and Discord, pp. 3-6.
13 Para el historiador de la ciencia Ian Hacking, algo es real si puede
ser observado utilizando diferentes aparatos experimentales, o bien si se
utiliza el mismo aparato pero con técnicas diferentes. I. Hacking, Representing
and Intervening.
14 Ver, por ejemplo : http://www.sciencemag.org/content/289/5488/2260.summary
15 Se trata del descubrimiento en Fermilab, EEUU, del quark Top, en
1995.
16 El LEP, Large Electron-Positron Collider era un colisionador de
electrones y positrones en funcionamiento en el CERN entre 1989 y 2000, cuando
fue parado y desmantelado para dejar el sitio al LHC.
Peter Higgs: "No tengo idea" para que sirve el bosón de higgs
06/07/2012
El
nombre de Higgs ha dado mucho que hablar esta semana después de que el CERN
anunciara haber encontrado una partícula que parece ser el bosón que lleva ese
nombre. Pero la partícula fue bautizada así por un físico británico, llamado
Peter Higgs, que en 1964 propuso junto a otros científicos una teoría para
explicar por qué la materia tiene masa.
Higgs,
de 83 años, afirmó respecto al descubrimiento que ”es agradable tener la razón
a veces”. Dijo también que le parecía raro que una partícula tuviera nombre de
científico, y sugirió que se le cambiara el nombre a “H“.
El
físico admitió también “no tener idea” de qué aplicaciones prácticas puede
tener este descubrimiento. “Sólo existe por un tiempo muy corto. Probablemente
es una millonésima de una millonésima de una millonésima de una millonésima de
segundo. No sé cómo aplicar eso a algo útil”, dijo.
Y es
que la “utilidad” del bosón de Higgs es más bien teórica, como parte de las
cosas que nos sirven para entender el mundo. El científico habló en una
conferencia en la Universidad de Edinburgo, lugar donde publicó por primera vez
su teoría del bosón.
Higgs
declaró que no pensaba que la partícula fuera a ser descubierta mientras él
estaba vivo, aunque afirmó que no tenía dudas sobre la existencia del bosón.
“La existencia de la partícula es tan crucial para entender cómo funciona el
resto de la teoría (el Modelo Estándar) que era muy difícil para mi entender
cómo no podría estar ahí”, dijo.
También
indicó que había sido contactado por Stephen Hawking, quien – además de perder
USD$100 con el descubrimiento – sugirió que Higgs debía ganar el premio Nobel.
Consultado
sobre su opinión respecto a si con el descubrimiento de la partícula se prueba
que Dios no existe – algo que se empezó a discutir cuando comenzaron a llamar
“la partícula de Dios” al bosón -, Higgs dijo que el nombre de “partícula de
Dios” era un chiste hecho por otro académico que originalmente la llamó la
“partícula maldita” (goddamn) porque era muy difícil de encontrar.
El
bosón de Higgs ayuda a explicar cómo las partículas fundamentales ganan masa,
una propiedad que les permite unirse y formar los elementos que conocemos del
universo, como estrellas y planetas.
En Fayer Wayer
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