Diez años del descubrimiento del bosón de Higgs

«El bosón de Higgs tiene para la física una relevancia equiparable a la que tuvo el descubrimiento del ADN en biología, o la evidencia de la estructura atómica y molecular en química. Desde el punto de vista tecnológico, supone un hito comparable a la llegada del ser humano a la Luna, pero sus repercusiones científicas son mucho más importantes», expresa Antonio Pich, director del CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear), del que forman parte todos los grupos españoles que participaron en el hallazgo del bosón de Higgs.

La partícula descubierta por el LHC coincidía con la descrita por el Modelo Estándar, que equivale para la física lo que la tabla periódica para la química, es decir, la mejor teoría actual para describir las piezas elementales que forman el universo. En él están todas las partículas básicas de las que está formada la materia. Es decir, los componentes más pequeños de todo lo que existe, llamadas partículas fundamentales.

Estas son las primeras que aparecieron tras el nacimiento del universo y se dividen en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son los que constituyen la materia, como los electrones, los muones, los taus y los quarks, que dan lugar a componentes tan básicos de nuestro mundo como las estrellas, una silla, una cerveza o este periódico. Los bosones, por su parte, son los que hacen que las partículas interaccionen. Algunos ejemplos de bosones son los fotones, los gluones, los bosones W y Z o el bosón de Higgs.

La gran importancia del bosón de Higgs dentro del Modelo Estándar radica en que es el elemento que ayuda a que todas las partículas tengan masa. El descubrimiento de 2012 permitió que esta hipótesis se confirmase.

Ello ha supuesto un gran paso adelante en el estudio del universo y los resultados más actualizados de las propiedades de esta partícula elemental se han presentado este lunes en dos artículos independientes publicados en Nature. Según la teoría de Higgs, existe un campo cuántico (el llamado campo de Higgs) que, aunque invisible, se extiende por todo el universo. Si lo comparamos con el mar, el campo de Higgs sería toda la superficie de agua y los bosones de Higgs equivaldrían a las moléculas de H2O que la componen. Cuando una partícula atraviesa ese campo cuántico se produce una resistencia, y esta es la que determina su masa.

Los experimentos recién publicados han demostrado muchas de las predicciones del Modelo Estándar, como que el bosón de Higgs no tiene espín cuántico (una de las dos propiedades intrínsecas de las partículas, junto a la carga eléctrica), o que los fermiones obtienen su masa al atravesar el campo de Higgs. Por otra parte, han aportado nuevo conocimiento no predicho por el Modelo Estándar, al conseguir obtener la propia masa del bosón de Higgs, sobre 125.000 millones de electronvoltios (GeV), ¡lo que supone nada menos que una constante fundamental del universo!

Asimismo, han observado muchos procesos de partículas raras, han realizado mediciones cada vez más precisas de los fenómenos del Modelo Estándar y han abierto caminos en la búsqueda de nuevas partículas más allá de las predichas por este, incluidas partículas que pueden formar la materia oscura, que representa la mayor parte de la masa del universo.

Sin embargo, diez años después, también sigue habiendo muchas preguntas sin responder sobre este hallazgo. Al fin y al cabo, el conocimiento que tenemos hasta ahora del bosón de Higgs solo hace referencia a la materia visible, que representa únicamente el 5% del universo, pero el Modelo Estándar no aclara nada sobre el 95% restante, relativo a la materia oscura, que no podemos ver aunque sepamos que existe; y la energía oscura, responsable de la expansión del universo. Las propiedades de estas dos últimas siguen siendo un misterio para la ciencia.

Eso significa que todavía queda mucho margen para revelar nuevos y exóticos fenómenos, como la posible generación de materia oscura a partir de la desintegración del bosón de Higgs o la existencia de más de un tipo de bosón de Higgs, por ejemplo. Si bien se esperaba que estas respuestas llegasen hace años, los físicos del CERN están dispuestos a resolver las cuestiones pendientes y sacar al LHC todo el potencial que creen que puede tener.

Run 3 es la prueba de ello. Tras tres años de labores de actualización y mantenimiento, este martes el Gran Colisionador de Hadrones inicia su tercer período de actividad, que en principio durará cuatro años. Entre sus avances está su renovada capacidad de registrar un número y potencia de colisiones sin precedentes, hasta alcanzar una energía récord de 13.600 millones de electronvoltios, lo que aumentará la precisión de los estudios.

«El LHC no ha dicho aún su última palabra y nuevos descubrimientos revolucionarios pueden estar aguardando. Sin embargo, a pesar de su potencial, el LHC tiene sus limitaciones. Para poder seguir penetrando los misterios del universo, nuevos aceleradores, capaces de alcanzar una precisión y energía sin precedentes, están siendo diseñados», cuenta Aurelio Juste Rozas, investigador ICREA en el Instituto de Física de Altas Energías (IFAE), que estudia colisiones protón-protón en el experimento ATLAS del LHC. Es decir, todo indica que el Modelo Estándar no es el paradigma definitivo en la comprensión del universo.

De encontrar las respuestas que buscamos, en los próximos cuatro años obtendremos una perspectiva totalmente novedosa del universo, desde su escala subatómica a su conjunto (cómo llegó a ser lo que es y cuál es su futuro). «Se abre una nueva y apasionante etapa de investigación científica que esperamos que nos depare grandes sorpresas», afirma Pich. «No desfallecer es la clave», añade Javier Fernández Menéndez, profesor titular de la Universidad de Oviedo, investigador del experimento CMS desde 2003 y, en los últimos años, responsable del Control de Calidad y Monitorización de Datos de CMS, «otros descubrimientos recientes, como las ondas gravitacionales, necesitaron casi un siglo desde que la teoría de la Relatividad General de Einstein las predijo hasta la confirmación de su existencia».