Recientemente (4 de Julio 2012), el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), anunció que en los experimentos llevados a cabo en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), habían sido encontradas evidencias compatibles con la existencia del bosón de Higgs. (Las partículas Higgs Boson, ya parecen ser una realidad). Es cierto que hay motivos para celebrar el acontecimiento, ya que con la comprobación de la existencia de esta última partícula (bosón de Higgs) se terminaría de completar el modelo de estructuración de las partículas y las fuerzas elementales del universo. Sin embargo, parece aconsejable ser cautos y por ahora postergar las celebraciones hasta contar con las confirmaciones definitivas. Es que las huellas dejadas en el Gran Colisionador de Hadrones, y que fueron captadas por sus dos grandes detectores, no calzan exactamente con lo esperado en el diseño del "Modelo Estándar de la Física de Partículas" (ME), que durante cincuenta años ha sido considerado como altamente probable.

Es también probable que esas evidencias compatibles con la existencia del bosón de Higgs, estén al mismo tiempo ocultando algo mas exótico de las partículas Higgs, como que estas formen parte de un modelo mas complejo del universo, que aún estamos lejos de comprender. Hay motivos para dudar, ya que hasta hoy no hay explicación para los fundamentos básicos que lo rigen. Tal es por ejemplo, la proclamada "materia oscura", nombre que se le ha dado a algo desconocido, que sería responsable nada menos que del 85% de la materia del universo. Ella debería ser la que mantiene unida a las galaxias, pero hasta ahora no se ha demostrado su existencia. Tampoco el ME ofrece explicación de la verdadera naturaleza y origen de la fuerza de gravedad. Menos explicación existe a cerca de porqué la materia llegó a dominar sobre la antimateria en el comienzo del cosmos. Por estos vacíos es que algunos físicos ahora comienzan a repensar todo de nuevo. Las faltas de respuestas fundamentales vuelven a despertar las dudas, lo que se suma a los resultados discordantes encontrados en el comportamiento de las llamadas partícula Higgs. Los físicos ya comienzan a pensar que habría que elucubrar toda una nueva teoría, que esta vez incluyera una tentativa de respuestas a los muchos misterios del universo que aún permanecen ocultos.

Vamos por parte ¿Que es el Gran Colisionador de Hadrones?

Para los que no están familiarizados con la física de partículas, es necesario explicar qué es y para qué se construyó el gran Colisionador de Adrones (LHC). Es el mayor y más poderoso acelerador de partículas que se haya construido, con un costo que superó los 4 mil millones de dólares, aportados por varios países. Ubicado entre los límites de Francia y Suiza, demoró muchos años para que se tomara la decisión de construirlo y luego otros tantos para su construcción y ajuste. Con todo, estuvo listo para ponerlo en marcha el año 2008 (Próximo a entrar en función el gran colisionador: Large Hadron Collider (HLC)). El objetivo final era llegar a confirmar la naturaleza fundamental de la materia, tratando de recrear las condiciones que habrían existido a poco del Big Bang. Específicamente, había que coronar lo logrado, tratando de encontrar las hipotéticas partículas Higgs, las últimas que faltaban para completar el cuadro de partículas elementales, según lo había estado anunciando el MD.

Se trata de un gran túnel en forma de anillo, de 27 kilómetros de largo, que posee en su interior un poderoso campo electromagnético capaz de proporcionar la energía necesaria a dos rayos de protones que deben viajar en dirección opuesta a una velocidad creciente, hasta llegar a una velocidad cercana a la de la luz, para que finalmente estos dos rayos chocaran con una energía de 14.000 millones de electrón volt (figura 1 y 2). De la trituración resultante, deberían desprenderse diversas partículas que serían detectadas por dos grandes detectores, (el ATLAS y el CMS), ubicados en dos sitios diferentes de su recorrido (Los físicos requieren de monstruosos laboratorios para dilucidar los misterios del universo). Según lo programado, en este tremendo choque debería aparecer la elusiva partícula Higgs, pudiendo detectarse indirectamente su presencia, por las características del decaimiento de las partículas resultantes.

Que es la partícula Higgs

Fue en 1964 que se propuso por primera vez la existencia de la partícula Higg bosón (denominada así en homenaje al físico Peter Higgs, que junto con otros cinco investigadores, predijeron su existencia), como parte del modelo estándar, que predecía como se comportaban e interactuaban las diferentes partículas y las fuerza que se iban describiendo. El modelo diseñado en aquella época había sido muy acertado, ya que sucesivamente en diversas experiencias realizadas por diferentes detectores, se había ido comprobando la existencia de cada una de las partículas constituyentes, tal como se había anticipado (fig. 3). Sólo faltaba demostrar la última, la guinda de la torta, la partícula Higgs bosón, la que debía completar el conjunto. La existencia de ella no se había podido demostrar directamente, pero si sospechar su existencia por el decaimiento en la plétora de otras partículas resultantes, mas fácilmente detectables.

De acuerdo al modelo estándar, la partícula Higgs bosón, era la unidad mas pequeña del omnipresente "campo Higgs", mucho mas amplio, al que se le había asignado en el MD, el rol de proporcionar masa a todas las otras partículas. Según ello, sin este campo Higgs no podría haber materia. Se suponía que la partícula Higgs también estaría sujeta al mismo mecanismo, de modo que por ello no se podía predecir su masa. Durante los últimos 15 años, los físicos habían estado tratando de evidenciar esta partícula haciéndola chocar con diversas otras partículas en experimentos realizados en varios aceleradores, tratando de eliminar sus respectivos bosones, que distorsionan los datos (todas las partículas tendrían asociada otra partícula, llamada bosón, que las generaría). De este modo, afirmaban ellos, como resultado de los choques, debería decaer en una lluvia de otras partículas, cuyas huellas eran las que los físicos pretendían detectar.

La experiencia en el Gran colisionador

En el HLC, los experiencias de choques comenzaron a desarrollarse en diciembre del 2011, donde sus dos detectores (CMS y ATLAS) iban sugiriendo indirectamente, que la partícula Higgs tendría una masa de alrededor de 125 gigaelectronvolts (GeV). Pero los resultados estadísticos provenientes de muchas repeticiones, no alcanzaron a dar valores significativos, como para atreverse a anunciar el descubrimiento.

Para los físicos es muy importante conocer la masa de la partícula Higgs, porque piensan que con esa información podrían elaborar una teoría que explicara la existencia de la masa obscura del universo. Un candidato que resolvería el problema, sería la teoría de la supersimetría (ver más adelante).

Cuales son las dudas

Como resultado del choque, la partícula Higgs boson de 125 GeV, debería decaer a tau (figura 3). Esto ocurrió, pero en menor proporción que lo que correspondería. Este resultado inesperado, tendría dos posibles explicaciones: lo observado en el decaimiento del Higgs, decididamente pondría fin al modelo estándar, o esta partícula Higgs, estimada como elemental en el modelo estándar, estaría comprometida en algo mucho más trascendente, que aún no se conocería.

En el modelo estándar se ha aceptado, que en la materia existirían dos tipos de partículas elementales: los fermiones (quarks y leptones), que constituirían propiamente la materia, incluyendo entre otros a electrones, quarks y neutrinos, tau, y los bosones, que serían transportadores de fuerza, incluyendo entre ellos los fotones y bosones tipo W y Z. En el centro de todo esto, estaría el buscado Higgs Bosón (figura 3).

De acuerdo a lo supuesto en el mismo modelo, se considera lo que se ha llamado el campo de Higgs (centro, color café, en fig. 3), que sería el responsable de entregar la masa de los fermiones y bosones. Pero el tau es un fermión, y si los Higgs no decaen a tau en el porcentaje que corresponde, es probable que tampoco le den masa. ¿Es que pueden los Higgs darle masa sólo a los bosones?

De Roeck piensa que este podría ser el caso. El recuerda que cuando Peter Higgs y otros, propusieron por primera vez la teoría, en el año 1960, los mecanismos de Higgs se propusieron sólo para explicar la masa de los bosones. Fue mucho mas tarde que se extendió el concepto de este mecanismo para incluir todas las otras partículas de masas (quarks y leptones). Según ello, algo más se necesitaría para dar masa a los fermiones. Allí entraría la teoría de la supersimetría

La supersimetría

Se trata de una posibilidad matemáticamente elegante, pero difícil de demostrar. Por ello los físicos están interesados en conocer la masa de Higgs, ya que piensan que conociendo esta, se podría construir una teoría que explicara la masa oscura del universo y de paso la gravedad. Para ello han elaborado la teoría de la supersimetría. De acuerdo a ella, cada partícula del modelo estándar, tendría como balance, una compañera supersimétrica mas pesada (fig. 3). Serían estas partículas no conocidas las candidatas para explicarse la existencia de la materia oscura. Esta teoría propone un montón de nuevas partículas asociadas, además de un conjunto de cinco Higgs bosones, con sus respectivas super compañeras Higgsinas. Algunos de estos Higgess podrían ser los que darían masa a los fermiones (La evidencia de la materia oscura es puesta en duda) / (Sigue la polémica por la materia oscura).

El hecho es que los dos grandes detectores, el CMS y el ATLAS, instalados en el interior del LHC, que debían detectar el resultado del choque de los protones, informaron de un exceso de partículas, con masas de 125 y 126 gigaelectronvolts (GeV) respectivamente (en la física de partículas, la energía y la masa son intercambiables).

En resumen, en el modelo estándar se ha asumido que Higgs es una partícula elemental, lo que hasta ahora no ha sido directamente confirmado. Como un ejercicio, se podría especular que el Higgs, al igual que el quark, también estuviese compuestos de partículas. Es que hay que aclarar que la experiencia programada en el LHC, no fue diseñada para detectar directamente el Higgs, sino que determinar el decaimiento de sus partículas como el resultado del gran choque de protones.

Muchos están recelosos por la excesiva importancia que se le ha dado de tau en etapas tan precoces, cuando aún nada se puede dar por definitivo. Peter Jenny, director del detector ATLAS, opina que nada se puede decir todavía y que aún hay muchos vacios en los datos entregados por los detectores del Super Colisionador. Por ello es conveniente esperar. Tras decenas de años de trabajo de miles de científicos y miles de millones de dólares invertidos, aún no tenemos las respuestas más fundamentales, para lo que buscamos. No es raro que los físicos ya estén pensando que necesitarán otro tipo de colisionador. Lo que sí es seguro, es que el hombre a través de la ciencia, continuará su camino de búsqueda llevado por su incansable curiosidad, tratando de llegar a entender como se ha condicionado el Universo y porqué estamos aquí.

Para saber más: Michael Slezak. New Scientist (2012). Vol 215: p. 6-9.