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2022-07-053 preguntas: marcando el décimo aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs

MIT |Christoph Paus, el físico del MIT que codirigió el esfuerzo para detectar la partícula, mira hacia los próximos 10 años.

Este 4 de julio se cumplen 10 años desde el descubrimiento del bosón de Higgs, la partícula largamente buscada que imparte masa a todas las partículas elementales. La escurridiza partícula era la última pieza que faltaba en el modelo estándar de física de partículas, que es nuestro modelo más completo del universo.

A principios del verano de 2012, se detectaron señales de la partícula de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande del mundo, operado por el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear. El LHC está diseñado para unir miles de millones de protones para tener la oportunidad de producir el bosón de Higgs y otras partículas que se predice que se crearon en el universo primitivo.

Al analizar los productos de innumerables colisiones protón contra protón, los científicos registraron una señal similar a la de Higgs en los dos detectores independientes del acelerador, ATLAS y CMS (el solenoide compacto de muones). Específicamente, los equipos observaron signos de que se había creado una nueva partícula y luego se descompuso en dos fotones, dos bosones Z o dos bosones W, y que esta nueva partícula probablemente era el bosón de Higgs.

El descubrimiento se reveló dentro de la colaboración CMS, que incluye a más de 3000 científicos, el 15 de junio, y ATLAS y CMS anunciaron sus respectivas observaciones al mundo el 4 de julio. Más de 50 físicos y estudiantes del MIT contribuyeron al experimento CMS, incluido Christoph Paus, profesor de física, que fue uno de los dos investigadores principales del experimento para organizar la búsqueda del bosón de Higgs.

Mientras el LHC se prepara para volver a arrancar el 5 de julio con la "Ejecución 3", MIT News habló con Paus sobre lo que los físicos han aprendido sobre la partícula de Higgs en los últimos 10 años y lo que esperan descubrir con esta próxima avalancha de datos de partículas. 

P: Mirando hacia atrás, ¿cuáles recuerdas como los momentos clave que condujeron al descubrimiento del bosón de Higgs?

A:Recuerdo que a fines de 2011 habíamos tomado una cantidad significativa de datos y había algunos primeros indicios de que podría haber algo, pero nada que fuera lo suficientemente concluyente. Estaba claro para todos que estábamos entrando en la fase crítica de un posible descubrimiento. Todavía queríamos mejorar nuestras búsquedas, por lo que decidimos, lo que sentí que fue una de las decisiones más importantes que tomamos, que teníamos que eliminar el sesgo, es decir, eliminar nuestro conocimiento sobre dónde podría aparecer la señal. Porque es peligroso como científico decir: "Conozco la solución", lo que puede influir en el resultado de forma inconsciente. Entonces, tomamos esa decisión juntos en el grupo de coordinación y dijimos, vamos a deshacernos de este sesgo haciendo lo que la gente llama un análisis “ciego”. Esto permitió a los analizadores centrarse en los aspectos técnicos,

Luego, por supuesto, tenía que haber un momento en el que desenmascaramos los datos y realmente miramos para ver si el Higgs está allí o no. Y unas dos semanas antes de las presentaciones programadas para el 4 de julio donde finalmente anunciamos el descubrimiento, hubo una reunión el 15 de junio para mostrar el análisis con sus resultados a la colaboración. El análisis más significativo resultó ser el análisis de dos fotones. Uno de mis estudiantes, Joshua Bendavid PhD ´13, dirigía ese análisis, y la noche anterior a la reunión, solo él y otra persona del equipo podían revelar los datos. Estuvieron trabajando hasta las 2 de la mañana, cuando finalmente presionaron un botón para ver cómo se ve. Y fueron los primeros en CMS en tener ese momento de ver que [el bosón de Higgs] estaba allí. Otro estudiante mío que estaba trabajando en este análisis, Mingming Yang PhD ´15, presentó los resultados de esa búsqueda a la Colaboración en el CERN esa tarde siguiente. Fue un momento muy emocionante para todos nosotros. La habitación estaba caliente y llena de electricidad.

El proceso científico del descubrimiento estuvo muy bien diseñado y ejecutado, y creo que puede servir como modelo de cómo las personas deberían realizar tales búsquedas.

P: ¿Qué más han aprendido los científicos sobre el bosón de Higgs desde la detección de la partícula?

R: En el momento del descubrimiento, sucedió algo interesante que realmente no esperaba. Si bien antes siempre hablábamos del bosón de Higgs, nos volvimos muy cuidadosos una vez que vimos ese "pico estrecho". ¿Cómo podríamos estar seguros de que era el bosón de Higgs y no otra cosa? Ciertamente se parecía al bosón de Higgs, pero nuestra visión era bastante borrosa. Podría haber resultado en los años siguientes que no era el bosón de Higgs. Pero como ahora sabemos, con muchos más datos, todo es completamente consistente con la predicción del bosón de Higgs, por lo que nos sentimos cómodos llamando a la resonancia estrecha no solo una partícula similar a Higgs, sino simplemente el bosón de Higgs. Y hubo algunos hitos que aseguraron que este sea realmente el Higgs tal como lo conocemos.

El descubrimiento inicial se basó en la descomposición de los bosones de Higgs en dos fotones, dos bosones Z o dos bosones W. Eso fue solo una pequeña fracción de las desintegraciones que podría sufrir el Higgs. Hay muchos más. La cantidad de desintegraciones del bosón de Higgs en un conjunto particular de partículas depende críticamente de sus masas. Este rasgo característico es fundamental para confirmar que realmente estamos ante el bosón de Higgs.

Lo que encontramos desde entonces es que el bosón de Higgs no solo se descompone en bosones, sino también en fermiones, lo cual no es obvio porque los bosones son partículas portadoras de fuerza mientras que los fermiones son partículas de materia. El primer nuevo decaimiento fue el de los leptones tau, el hermano más pesado del electrón. El siguiente paso fue la observación del bosón de Higgs descomponiéndose en quarks b, el quark más pesado en el que puede descomponerse el bosón de Higgs. El quark b es el hermano más pesado del quark down, que es un bloque de construcción de protones y neutrones y, por lo tanto, de todos los núcleos atómicos que nos rodean. Estos dos fermiones son parte de la generación más pesada de fermiones en el modelo estándar. Solo recientemente se observó que el bosón de Higgs se descomponía en muones, el leptón de carga de la segunda y, por lo tanto, generación más ligera, al ritmo esperado. Además, se estableció el acoplamiento directo con el quark top más pesado,

P: A medida que el Gran Colisionador de Hadrones se prepara para su nueva “Run 3”, ¿qué espera descubrir a continuación?

Una pregunta muy interesante sobre la que la Prueba 3 podría darnos algunas pistas es el autoacoplamiento del bosón de Higgs. Como el Higgs se acopla a cualquier partícula masiva, también puede acoplarse a sí mismo. Es poco probable que haya suficientes datos para hacer un descubrimiento, pero sería muy emocionante ver los primeros indicios de este acoplamiento, y esto constituye una prueba fundamentalmente diferente de lo que se ha hecho hasta ahora.

Otro aspecto interesante que más datos ayudarán a dilucidar es la cuestión de si el bosón de Higgs podría ser un portal y decaer en partículas invisibles que podrían ser candidatas para explicar el misterio de la materia oscura en el universo. Esto no se predice en nuestro modelo estándar y, por lo tanto, revelaría que el bosón de Higgs es un impostor.

Por supuesto, queremos duplicar todas las mediciones que hemos realizado hasta ahora y ver si continúan alineándose con nuestras expectativas.

Esto también es cierto para la próxima actualización importante del LHC (se ejecuta a partir de 2029) para lo que llamamos LHC de alta luminosidad (HL-LHC). Durante este programa se acumulará otro factor de 10 eventos más, lo que para el bosón de Higgs significa que podremos observar su autoacoplamiento. Para el futuro lejano, hay planes para un Future Circular Collider, que en última instancia podría medir el ancho total de decaimiento del bosón de Higgs independientemente de su modo de decaimiento, lo que sería otra prueba importante y muy precisa de si el bosón de Higgs es un impostor.

Como cualquier otro buen físico, espero que podamos encontrar una grieta en la armadura del modelo estándar, que hasta ahora se está manteniendo muy bien. Hay una serie de observaciones muy importantes, por ejemplo, la naturaleza de la materia oscura, que no se pueden explicar con el modelo estándar. Todos nuestros estudios futuros, desde la Carrera 3 que comienza el 5 de julio hasta el FCC en el futuro, nos darán acceso a un territorio completamente desconocido. Pueden surgir nuevos fenómenos, y me gusta ser optimista.

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