[ notas. FÍSICA ] El bosón de Higgs

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1 [ notas. FÍSICA ] El bosón de Higgs El pasado 4 de julio, en el Laboratorio CERN, en Ginebra, Suiza, los voceros de los experimentos CMS y ATLAS anunciaron en rueda de prensa haber observado un bosón neutro con una masa de 125 GeV/c 2 ; una partícula consistente en sus propiedades con lo que se espera para el bosón de Higgs, la última pieza y la más importante por descubrir en el modelo estándar de partículas e interacciones fundamentales. Para ser una noticia científica, tuvo un cubrimiento mediático inusitado porque el bosón de Higgs es la piedra angular del modelo estándar y porque el campo cuántico asociado a esta partícula, el campo de Higgs, se supone que provee de masa a las demás partículas elementales. En este modelo teórico, que describe las leyes de la naturaleza al nivel más fundamental, sin el bosón de Higgs no solo todas las demás partículas elementales no tendrían masa, sino que el modelo mismo tendría problemas matemáticos catastróficos, que en el lenguaje técnico de la teoría cuántica de campos se conocen como irrenormalizabilidad de la teoría. Por tanto, dada la importancia crucial del bosón de Higgs para entender las leyes que gobiernan nuestro universo, esta partícula había sido buscada intensamente, pero sin éxito, desde 1984 en diversos experimentos en varios aceleradores colisionadores de partículas alrededor del mundo. Su descubrimiento pone fin a toda una era en la historia de la física y de la ciencia y abre la puerta a la búsqueda de cualquier tipo de física más allá del modelo estándar. El modelo estándar es el resultado de los grandes logros de la física del siglo XX. Su fundamento teórico, la teoría cuántica de campos, es el resultado del matrimonio entre las dos grandes revoluciones de la física moderna: la relatividad y la mecánica cuántica. Este modelo describe en forma muy precisa tres de las cuatro interacciones o fuerzas fundamentales de la naturaleza: la interacción electromagnética y las interacciones nucleares fuerte y débil. En esta versión de las leyes fundamentales, tanto materia como interacciones son campos cuánticos interactuantes, que evolucionan en el espacio y el tiempo en forma ondulatoria, pero manifiestan un carácter corpuscular o de partícula elemental al interactuar con otros campos. Las tres interacciones elementales, que se propagan ondulatoriamente, poseen partículas mediadoras asociadas llamadas bosones y, a su vez, las partículas materiales poseen campos cuánticos asociados que se propagan ondulatoriamente. Las partículas materiales están divididas en quarks y leptones. Los quarks son los constituyentes fundamentales de hadrones, como los protones y neutrones, que conforman los núcleos atómicos. Los leptones son el electrón, el muón, el tauón y los neutrinos. Los electrones orbitan alrededor de los núcleos, conformando los átomos, de los cuales está hecha toda la materia que conocemos.todas estas partículas están sujetas a la acción de las interacciones fundamentales que dictan su comportamiento. Para finales de la década de 1970 se consolidó la descripción de este mundo microscópico y de su dinámica a partir del modelo estándar. Este modelo teórico ha descrito algunos procesos microscópicos con una precisión de hasta nueve cifras decimales, la mayor precisión de cualquier teoría en la historia de la ciencia. Sin importar las virtudes del modelo estándar, la ausencia del bosón de Higgs dejaba a la teoría en una situación inaceptable, tanto matemática como experimentalmente. Su descubrimiento cierra un capítulo glorioso en la historia de la física de partículas, que comenzó en 1897 cuando J. J. Thomson descubrió el electrón. Juan Carlos Sanabria Ph.D. Profesor Asociado del Departamento de Física de jsanabri@uniandes.edu.co Bernardo Gómez Moreno Dr. rer. nat. Profesor Emérito del Departamento de Física de bgomez@uniandes.edu.co. Carlos Ávila Ph.D. Profesor Titular del Departamento de Física de cavila@uniandes.edu.co. 8 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 13, noviembre del 2012

2 Figura 1. Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del Laboratorio CERN. Fuente: Cómo descubrir el bosón de Higgs? Primero hay que producirlo en condiciones que permitan su observación y luego, para verlo y registrarlo, saber dónde mirar y qué mirar en medio de un panorama lleno de partículas que dejan huellas parecidas a las del bosón de Higgs. Para producirlo se disparan dos haces de protones en direcciones opuestas para que colisionen frontalmente a las más altas energías alcanzables en el laboratorio, que en la actualidad son ocho tera-electronvoltios. Esto se logra con el mayor acelerador de protones del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones del Laboratorio CERN. Allí, a 100 metros bajo tierra, en un anillo de 27 km de circunferencia en la frontera franco-suiza, circulan en direcciones opuestas pequeños paquetes de protones, que llevan cada uno 100 mil millones de protones; campos magnéticos guían a los protones en el anillo, y campos eléctricos los aceleran. Por el punto de colisión en el anillo, donde se tienen los grandes detectores de partículas, se cruzan cada 50 nanosegundos un par de paquetes en direcciones opuestas, resultando unas 20 colisiones protón sobre protón por cada encuentro, unas 400 millones de colisiones por segundo. Se requieren muchas colisiones, pues la probabilidad de producción del bosón de Higgs es de apenas uno por cada diez mil millones de colisiones protón-protón. Los protones están compuestos por tres quarks, dos quarks up y un quark down, que están intercambiando permanentemente gluones, las partículas mediadoras de la interacción fuerte, que liga así, por este intercambio, a los quarks en el protón. Se tiene dentro del protón un mar de partículas, los gluones de intercambio, que en su recorrido de un quark a otro dan lugar a la producción de pares quark-antiquark, que muy rápidamente se aniquilan, quedando nuevamente un gluón que sigue su camino dentro del protón hacia otro quark. Así, el interior del protón es muy dinámico. Y en las colisiones frontales protón sobre protón, a las muy altas energías de tera-electronvoltios (TeV1) del colisionador de CERN, son en realidad estos componentes del protón los partones los que colisionan y de allí resultan, entre otros muchísimos procesos, los que producen el bosón de Higgs. En estos procesos de colisión de los partones, los que involucren el quark top son los que, con mayor probabilidad, llevan a la producción de Higgs. Como el bosón de Higgs es el cuanto del campo de Higgs que da masa a las partículas, cuanto mayor sea la masa de la partícula, mayor su interacción con el campo de Higgs. El quark top, la partícula de mayor masa del modelo estándar, es entonces el de mayor acople al Higgs. Siguen, por su masa, los bosones intermediarios de la interacción 1 Un tera-electronvoltio o TeV = 1012eV. Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 9

3 débil, W +, W - y Z 0, y luego el quark bottom. Colisiones de partones donde resulten estas partículas pueden llevar a la producción del Higgs. Y producido el Higgs, cómo observarlo? El bosón de Higgs tiene una vida muy corta, del orden de segundos, tan corta que solo podemos observar sus productos de decaimiento, las partículas que resultan cuando decae. Para esto, medimos momento lineal y energía y aplicamos las leyes de conservación de estas cantidades físicas para obtener la masa de la partícula padre, el Higgs. Además, como su momento angular intrínseco, su espín, es cero, la suma de espines de los productos de decaimiento también debe dar cero. El Higgs decae prioritariamente en un par bottom-antibottom, donde cada quark, o antiquark, lleva a un chorro o jet de hadrones que son registradas en los detectores. También puede decaer en pares virtuales de top-antitop en un bucle que lleva a la emisión de dos gluones o de dos fotones. Otra posibilidad del Higgs es decaer en pares de bosones W ±, o de bosones Z 0, que llevan luego a pares de quark-antiquark, o a pares de leptones. Los canales más importantes donde se ha encontrado evidencia de un bosón consistente con el buscado son el Higgs decayendo en dos fotones (H γγ) y el Higgs decayendo a dos bosones Z 0, que a su vez decaen en electrones o muones (H Z 0 Z 0 4 leptones). La figura 2 muestra un evento consistente con el decaimiento de un bosón de Higgs en dos fotones. EL Experimento CMS y la detección de un nuevo bosón Los experimentos ATLAS y CMS del laboratorio CERN tienen como uno de sus objetivos científicos la búsqueda del bosón de Higgs. El grupo de Física Experimental de Altas Energías de la Universidad de los Andes viene participando desde el 2006 en el experimento CMS. El nombre de este experimento se debe a sus siglas en inglés (Compact Muon Solenoid) que describen sus características fundamentales: tener un solenoide compacto que proporciona un campo magnético muy alto del orden de 100 mil veces el campo magnético terrestre y ser muy eficiente en la detección de muones. La figura 3 muestra una fotografía del detector CMS que rodea uno de los puntos de colisión del acelerador LHC y estudia los productos que salen después de la colisión de protones con protones. El detector consiste en varias capas de subdetectores, la capa más interna corresponde al rastreador de silicio que tiene como objetivo medir las trazas de las partículas con carga eléctrica, determinar el vértice de la colisión protón-protón y los vértices donde decaen otras partículas. Debido al campo magnético las partículas cargadas tienen trayectorias curvadas, su radio de curvatura permite determinar la velocidad que llevan estas partículas. Rodeando el rastreador de silicio se encuentra el calorímetro electromagnético, el cual tiene como objetivo medir la energía de los electrones, positrones y fotones que son producidos en cada colisión. La energía de los protones y neutrones y cualquier otro hadrón que salen de la colisión es medida con el calorímetro hadrónico que se encuentra en la capa posterior al calorímetro electromagnético y que consta de varias capas de bloques centelladores alternadas con bloques de bronce. El solenoide del detector CMS rodea al calorímetro hadrónico y proporciona un campo magnético axial de 3,8 tesla. Los muones tienen una baja interacción con las capas internas del detector y, por eso, se necesitan detectores adicionales (cámaras de muones) que están fuera del solenoide para su detección, alternadas con un núcleo de hierro que sirve para proporcionar el retorno de las líneas de campo magnético producidas en el solenoide. La información de cada uno de los subdetectores se combina para proporcionar una lista de partículas identificadas; las que tienen tiempo de vida muy corta son identificadas a través de sus productos de decaimiento. Figura 2. Visualización de un evento registrado por el detector CMS y candidato a mostrar el decaimiento de Higgs en dos fotones representados por los rayos verdes. Los demás rayos corresponden al ruido de procesos de trasfondo. Fuente: CERN, Como ocurren colisiones protón-protón cada 50 nanosegundos y debido al alto número de canales de detección se requieren sistemas de cómputo sofisticado para hacer todo el procesamiento de reconstrucción de partículas y el almacenamiento del evento. Se utiliza un sistema de computación GRID para procesar la información de manera paralela 10 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 13, noviembre del 2012

4 Figura 3. Foto del Detector CMS. 1. Cámaras de muones; 2. Solenoide; 3. Calorímetros electromagnético y hadrónico; 4. Rastreador de silicio Fuente: Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 11

5 en los 180 institutos entre ellos la Universidad de los Andes de 40 países diferentes que actualmente participan en el experimento. El experimento CMS realizó su primera toma de datos en el 2010 y acumuló una baja estadística que le sirvió para verificar su correcto funcionamiento. En 2011 y 2012 se acumuló suficiente estadística para comprobar la existencia del bosón de Higgs predicho por el modelo estándar. En el análisis de datos se debe tener en cuenta que puede haber otros procesos del modelo estándar que producen los mismos estados finales y que pueden conducir a la identificación errónea de un Higgs; estos eventos se conocen como eventos de trasfondo o backgrounds. Separar estos eventos de la verdadera señal física que se busca es uno de los principales retos en todo experimento de partículas, y para esto es necesario aplicar filtros sobre todas las variables que puedan diferenciar la señal física del trasfondo para lo cual se recurre a herramientas sofisticadas de análisis de datos. La figura 4 muestra una clara evidencia de la producción de un nuevo bosón en el canal de dos fotones. Las variables de energía y velocidad de los dos fotones se pueden usar para determinar la masa de la partícula, que en su decaimiento produce los dos fotones. En la gráfica el supuesto bosón de Higgs se identifica como un pico, centrado alrededor de la masa de la partícula, por encima de una función que decae exponencialmente y que corresponde al ruido generado por los procesos de trasfondo. El valor de la masa que se ha encontrado es de 125,3 GeV con una incertidumbre del 0,5%, 133 veces la masa de un protón. Aún falta tener confirmación independiente de cada canal de decaimiento del bosón de Higgs y medir las probabilidades de decaimiento en cada canal para verificar si el bosón descubierto corresponde efectivamente al bosón de Higgs predicho por el modelo estándar. Actualmente, el acelerador LHC sigue produciendo colisiones y en pocos meses tendremos la confirmación definitiva CMS preliminar 1800 Número de eventos/energía (GeV) Datos Fit total Fit a background ± 1σ ± 2σ m HIGGS (GeV) Figura 4: Evidencia del descubrimiento de un nuevo bosón consistente con el bosón de Higgs por el experimento CMS. Fuente: 12 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 13, noviembre del 2012