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La comunidad científica celebra con más preguntas los 10 años del bosón de Higgs

El acelerador de partículas del CERN, que cazó a la esquiva partícula, afronta una nueva etapa para conocer más sobre el origen del Universo

Los miembros del Grupo de Física Experimental de Altas Energías de la Universidad de Oviedo y del ICTEA. Arriba, de izquierda a derecha: Javier Fernández, Xuan González, Carlos Vico, Javier Cuevas, Andrea Trapote, Isidro González y Álvaro Navarro (CIEMAT); en el medio, por la izquierda: Clara Ramón, Alejandro Soto, Víctor Rodríguez y Cristina Fernández (CIEMAT); debajo, por la izquierda: Carlos Erice, Enrique Palencia, Santiago Folgueras, Bárbara Álvarez y Nicolò Trevisani. | Grupo de Física Experimental de Altas Energías

El mundo de la ciencia celebró ayer con multitud de actos el décimo aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs, un hallazgo que cambió la historia de la física contemporánea. Hasta expertos de la Universidad de Oviedo como Bárbara Álvarez hicieron divulgación sobre el bosón online. Lo merecía un descubrimiento científico sin precedentes, tanto como para que la Organización Europea para la Investigación Nuclear, más conocida por las siglas CERN, celebrase en Ginebra un simposio conmemorativo, que se siguió vía streaming en todo el mundo, donde se repasó todo lo que ha aportado la sorprendente partícula

La fiesta científica estaba más que justificada. El descubrimiento del bosón de Higgs, anunciado el 4 de julio de 2012, fue un gran triunfo, tanto para la teoría matemática que predijo su existencia, como para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que reveló el Higgs al romper protones con una violencia sin precedentes.

Desde entonces, el colisionador no ha arrojado ninguna otra partícula elemental. Algunos investigadores se preguntan qué pasará cuando el LHC deje de operar, a finales de la década de 2030. El gran colisionador de hadrones (LHC, en sus iniciales inglesas) no ha dejado de dar resultados. También sigue siendo el único sitio del mundo en el cual se pueden producir bosones de Higgs. Por ello, los físicos confían en que habrá sorpresas en la tercera tanda de colisiones del acelerador, cuya toma de datos empieza el 5 de julio.

¿Fue tan importante?

El descubrimiento del Higgs fue tan importante porque esa partícula es una piedra angular del Modelo Estándar. Su existencia explica por qué los objetos tienen masa. El modelo describe el funcionamiento de las partículas y de sus interacciones, pero funcionaba bien solo si se asumía que todas las partículas tuvieran masa nula.

Para arreglar este fallo, en 1960 el físico británico Peter Higgs sugirió la existencia de una partícula cuya acción generara la masa. El bosón de Higgs está asociado con un campo que, interactuando con las otras partículas, les proporciona la propiedad de tener masa. No fue hasta 2012 cuando esta predicción se comprobó y en 2015 Higgs recibió el Premio Nobel de Física. Dos años antes, en 2013, Higgs, François Englert y el CERN recibieron el Premio «Príncipe de Asturias» de Investigación Científica y Técnica. Pero quedan cosas sin explicar. Sobre todo, por qué la masa del bosón es muy ligera respecto a la que se esperaba. Su masa está influida por la de otras partículas. Una manera para explicarlo sería que existieran partículas desconocidas (por ejemplo supersimétricas) cuya influencia resultara en esa masa ligera.

¿Qué queda por descubrir?

El motivo principal para seguir buscando es que la teoría física más avanzada sobre la estructura fundamental de la naturaleza (el Modelo Estándar) no lo explica todo. «Es una descripción efectiva, pero muchos de sus ingredientes hay que ponerlos a mano», explica Aurelio Juste, investigador del Institut de Física d’Altes Energies (IFAE). Por ejemplo, no se explica por qué ciertas partículas tienen la masa que tienen, por qué otras no tienen masa, o por qué algunas vienen en un número concreto de variantes. El modelo tampoco contiene partículas de materia oscura: o sea, esa enorme fracción del universo que se sabe que existe, porque su masa influye en el movimiento de los astros, pero que no se sabe de qué está hecho. Otra manera de verlo es que el modelo explica el comportamiento del universo hasta una billonésima de segundo después del Big Bang, pero no funciona más atrás.

Un hallazgo de la estatura del Higgs sería el de las partículas supersimétricas, las principales candidatas a constituyentes de la materia oscura. El LHC también podría dar luces sobre por qué hay mucha más materia que antimateria, y si la gravedad se puede explicar con una ley física común a las otras tres fuerzas de la naturaleza, que están unificadas bajo una teoría única, a la cual la gravedad se escapa.

¿Qué más se descubrió?

Aunque el Higgs es la única partícula fundamental descubierta por LHC, las colisiones en el acelerador no paran de arrojar partículas no fundamentales. En concreto, se han encontrado 62, compuestas de combinaciones de partículas fundamentales llamadas quarks.

Normalmente los quarks se juntan en grupos de tres para formar protones o neutrones. Pero el LHC ha hallado tetraquarks y hasta pentaquarks, hechos de 4 y 5 respectivamente. Estas partículas exóticas que pueden revelar mucho sobre la fuerza que las une, la interacción nuclear fuerte. Pero los hallazgos más sugerentes son los que retan el Modelo Estándar. Por ejemplo, en 2017 se observó que unas partículas llamadas Mesones B decaen de una forma distinta a la que prevé la teoría. «Esto es un bombazo: representa una evidencia de una nueva física con propiedades distintas», afirma Juste.

¿Y ahora?

Con dos décadas de operación por delante y sólo el 5% de los datos tomados hasta ahora analizados, es probable que LHC dé alguna sorpresa en los próximos años. Tras esta ronda, el acelerador parará hasta 2029 para una reforma que incluye el cambio de la mitad de los detectores. El resultado previsto es el «LHC de alta luminosidad». «Permitirá hacer muchas más colisiones. Esto quiere decir más probabilidad de ver eventos raros», explica Bosman.

Cazadores del Higgs en Asturias

La constatación experimental del bosón de Higgs, hace una década, fue la guinda del pastel para el trabajo que durante 25 años lleva desarrollando el Grupo de Física Experimental de Altas Energías de Asturias, de la Universidad de Oviedo. Los investigadores llevan un cuarto de siglo involucrados en los experimentos de física de partículas que se desarrollan en el CERN siglas en inglés de la Organización Europea para la Investigación Nuclear.

Antes del hallazgo anunciado el 4 de julio de 2012, los físicos asturianos habían participado en la búsqueda de la esquiva partícula en varios detectores: en el «Delphi» del CERN o en el CDF del Tevatron (en Fermilab).

Pero hay mucha física más allá del bosón de Higgs. Los investigadores de la Universidad de Oviedo, junto con el resto de los científicos con los que construyeron, mantienen, operan y analizan los datos del detector CMS en el Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas LHC del CERN, han estado muy ocupados esta década tratando de determinar con precisión las propiedades del bosón de Higgs y verificando las propiedades ya apuntadas por la teoría.

Tras el hallazgo, la participación de los físicos asturianos se centró en la relación de Higgs con los bosones W (una de las partículas mediadoras de la fuerza nuclear débil). Pero en los últimos años, os investigadores asturianos han liderado las mediciones en el detector CMS de la relación entre el Higgs y la partícula fundamental más pesada conocida: el quark top. Ese reto ha conllevado explorar nuevos métodos de análisis que incluyen técnicas de inteligencia artificial. «Este resultado es consecuencia directa del trabajo continuado de todo el grupo en el experimento CMS», asegura Javier Cuevas, catedrático y quien lidera el Grupo de Física Experimental de Altas Energías.

Después de tres años en los que se han realizado mejoras en el acelerador de partículas, los experimentos de colisión volverán al CERN en una dimensión hasta ahora inédita.

Y es que a partir de hoy el gran colisionador producirá colisiones de protones a una energía jamás alcanzada, lo que le permitirá recrear con mayor facilidad las condiciones que había en los primeros microsegundos después del Big Bang.

El objetivo será responder a grandes interrogantes que persisten sobre el funcionamiento de la naturaleza y de la vida, y ver lo que ninguna tecnología ha permitido hasta ahora: el inicio del universo.

Durante casi cuatro años el LHC funcionará a una energía de colisión récord de 13,6 billones de electronvoltios (TeV), simulando prácticamente la densidad que había al instante mismo del inicio del universo.

«El poder aglutinador de naciones y culturas que tiene la ciencia y, en particular, la de las grandes colaboraciones internacionales como el CERN, hace que merezca la pena el esfuerzo más aún si cabe en los tiempos que vivimos, y quizá sirva de ejemplo para la paz entre los países y continentes», aseguraron ayer los integrantes del Grupo de Física Experimental de Altas Energías de Asturias, que sopla con satisfacción las diez velas del bosón de Higgs.

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