“Higgs, un éxito de la humanidad” por José Ignacio Latorre

CIC Network

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Este texto de José Ignacio Latorre apareció originalmente en el número 12 de la revista CIC Network (2012) y lo reproducimos en su integridad por su interés.

El bosón de Higgs es seguramente la partícula elemental que goza de mayor popularidad fuera del mundo científico profesional. Pocas personas han oído hablar de quarks, de piones, de kaones, de mesones w y z, o de gluones. En cambio, los medios de comunicación de todo el mundo se han hecho eco del enorme esfuerzo que se está llevando a cabo en el LHC (iniciales en inglés del Gran Colisionador de Hadrones, situado en el laboratorio internacional CERN) para dilucidar si el Higgs existe o no.

fluctuación estadística con más de cinco desviaciones estándar. En otras palabras, se ha observado una señal clara de una partícula nueva, que no se confunde con otros procesos ya conocidos. El anuncio del CERN también sugiere que la desintegración de esta nueva partícula podría no seguir exactamente la teoría del modelo estándar. Dicho de forma más llana, los físicos de partículas estamos excitados porque podríamos empezar a entrever nueva Física.

El descubrimiento del Higgs es un hálito de aire fresco en el mundo pragmático y beligerante en el que vivimos. Tanto la propuesta teórica de la existencia de la partícula Higgs como su descubrimiento experimental no se pueden atribuir a unas pocas personas. Es un logro de varias generaciones de científicos, de razas diferentes, de culturas dispares, que hablan tantas variantes del inglés que harían palidecer al bar de la guerra de las galaxias. Toda la humanidad se ha aunado para comprender. Sin más. En esta lucha por esclarecer las leyes últimas de la naturaleza, los principales criterios que gobiernan las colaboraciones experimentales son los de la meritocracia, la calidad, el prurito de perfección y la consecución de objetivos. Sin estos principios, no hubiese sido posible construir el LHC, el mayor instrumento jamás creado por el hombre, ni lograr que funcionase con la eficiencia que lo está haciendo.

¿Cómo funciona el LHC?

Para comprender el descubrimiento del Higgs con más detalle es necesario primero saber cómo funciona el LHC. En el fondo, el gran colisionador LHC no es más que un enorme telescopio que es capaz de escudriñar las distancias más pequeñas que el hombre puede analizar. La idea que sustenta su funcionamiento, confesémoslo, es bastante primitiva. Para descubrir nuevas partículas elementales hacemos chocar protones entre sí a energías enormes. Un ejemplo de lo que esto significa sería que intentásemos comprender cómo está hecho un reloj. La misma idea es útil. Tomaríamos dos relojes, los aceleraríamos a enormes velocidades y los haríamos chocar. Está claro que los relojes se romperían, pero de esta forma también descubriríamos lo que hay en su interior. Con mucho esfuerzo e imaginación también podríamos intuir las claves del mecanismo interno de un reloj. Hacer chocar objetos para saber la ley que lo rige internamente es un poquito bruto, pero funciona.

Esta analogía nos permite entender que el LHC consta de dos partes muy diferentes. Una primera parte es un acelerador de protones que circulan por un tubo de unos 27 km de circunferencia, situado bajo las faldas de la cordillera del Jura. Los protones son acelerados a velocidades increíblemente próximas a la de la luz en ambos sentidos de giro. Lograr mantener los haces de protones en las trayectorias deseadas es una proeza tecnológica impresionante. Se requieren 1232 imanes dipolares y 392 magnetos cuadrupolares trabajando a -271ºC para ir desviando y focalizando el haz. Los protones viajan formando paquetes que tardan 90 microsegundos en dar una vuelta a los 27km del LHC. Para que estos protones no sufran colisiones indeseadas con partículas de aire, el tubo del LHC debe mantener un vacío extremo. De forma más precisa, la presión en el tubo es de 10-7 Pa, que es incluso 100 veces menor en los puntos de colisión. El CERN tilda el vacío que logra en el LHC como el lugar más vacío del sistema solar.

La segunda parte del LHC consiste en detectores situados en los puntos de colisión. Esos detectores tienen nombre propio: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE. Los dos primeros están pensados para analizar el máximo de nueva física que sea posible, mientras que LHCb explorará de forma más eficiente la física de los quarks bottom y ALICE el estadio de la materia que llamamos plasma de quarks y gluones. En cada detector se produce el choque de un protón contra otro protón cada 30 nanosegundos a energías tan elevadas que sólo se dieron en los instantes posteriores al Big Bang. Por este motivo se dice a menudo que el LHC explora los instantes iniciales del universo. Y así es, el LHC recrea las colisiones que eran habituales cuando el universo era un lugar muy denso, muy caliente, plagado de choques a energías enormes. Comprender las leyes que rigen las colisiones que se observan en el LHC nos permite también entender la evolución de nuestro universo en aquellos instantes iniciales.

Pero no es suficiente lograr un choque entre dos protones a muy alta energía. Ese choque suele dar lugar a un resultado anodino. De hecho, un choque entre dos protones es, en realidad, un choque entre uno de los quarks que componen uno de los protones y otro quark del otro protón. La colisión entre quarks puede dar lugar a muchísimos productos diferentes, algunos interesantes, otros banales. Para lograr un resultado interesante, el LHC ha de producir una enorme cantidad de choques y, además, ha de ir acumulando los datos hasta tener resultados estadísticamente significativos de los procesos menos frecuentes. Sólo una pequeñísima parte de los choques que se dan en el CERN corresponden a partículas de Higgs. La analogía es obvia: buscamos una aguja en un pajar.

El tercer paso que constituye el LHC es el análisis de la enorme cantidad de los datos que se producen en los detectores. Cada vez que se produce un choque entre protones los detectores del CERN miden las trazas de todas las partículas que emergen del punto de colisión. Los datos medidos por cada una de las partes del detector permiten reconstruir el evento que se acaba de observar. Esta reconstrucción inmediata permite decidir instantáneamente si el evento vale la pena de ser guardado o es mejor descartarlo. Se crean así una serie de disparadores (triggers) que reducen el gran volumen de datos a un subconjunto de datos potencialmente interesantes. Estos datos pasan a un sistema informático formado por más de cien mil ordenadores que posee el CERN. De ahí se distribuye a todo el mundo mediante un sistema de ordenadores jerárquico que recibe el nombre de GRID. En inglés se emplea la palabra GRID para describir el tendido eléctrico. El GRID de datos del CERN busca esa analogía. En cualquier lugar del mundo podemos conectarnos al GRID y disponer de los datos que ha creado el LHC. Todo ha de suceder de forma automatizada y transparente para el científico.

Para transmitir la idea del enorme flujo de datos que genera el LHC podemos tomar la siguiente analogía. El LHC produce tanta información como si todos los humanos hablásemos por teléfono, pero cada humano mantendría 300 llamadas simultáneamente a un mismo número. No es extraño que el CERN haya tenido que desarrollar el GRID.

Gestión científica vs gestión empresarial

Parece increíble que toda la tecnología límite asociada al LHC funcione correctamente. También parece increíble que el LHC sea el resultado del esfuerzo de unas 10.000 personas. ¿Cómo se avienen? ¿cómo se estructuran? ¿quién manda? No lo duden, el LHC es una maravilla tanto tecnológica como organizativa. El CERN debería ser visita obligada para todos los empresarios que deseen conocer cómo se organiza una tarea ingente y donde cada ego lucha por sí mismo y, a la vez, debe cooperar. Hoy en día, la ciencia es tan sofisticada que todo progreso relevante requiere de la colaboración de cerebros potentes y espíritus enormemente competitivos. La lucha de egos existe, pero está acotada.

Un gran ejemplo del modus operandi de las colaboraciones experimentales del LHC es que su cabeza visible no recibe el nombre de director, sino de spokesperson (persona que habla en nombre de la colaboración). Este spokesperson es elegido por toda la colaboración por votación. El mandato del spokesperson es de dos o tres años. Imaginemos que una empresa de 2.000 empleados votase a su director. Es en beneficio de todos los empleados escoger a un director que sea capaz, competente, ilusionado y buen gestor. En los experimentos del lhc, los científicos ponen la responsabilidad de su carrera científica en las manos de sus gestores.

Tienen, por lo tanto, mucho cuidado a la hora de escoger a los mejores. Otro ejemplo de la peculiar forma en que funciona la ciencia es que los artículos publicados por las colaboraciones son filtrados por severos comités internos antes de ser enviados a los repositorios de acceso libre que empleamos en física de altas energías y, después, a las revistas internacionales para ser publicados. El sistema de revisión interno es muy duro. Si un error se cuela en un artículo, toda la colaboración queda en ridículo y pierde credibilidad, lo peor que le puede pasar a un científico.

Tras las revisiones internas, los datos de los análisis se hacen públicos, abiertos a todas las personas del mundo. Los artículos son finalmente evaluados en la revistas científicas internacionales por expertos ajenos a la colaboración, a menudo competidores directos. Paradójicamente, en ciencia los enemigos se revisan entre sí y deben reconocer los éxitos ajenos de forma explícita, de lo contrario nadie lograría jamás hacer una publicación. Este sistema de evaluación entre enemigos da lugar a un nivel de excelencia difícil de hallar en otros ámbitos de la sociedad. De nuevo podemos tomar una analogía. Imaginemos que un nuevo modelo de coche tuviera que ser aprobado por sus competidores. A priori esta idea parece una locura, pero en la práctica los coches serían fantásticos.

La pieza que faltaba para completar el gran puzzle

Pero la pregunta que cualquier persona se hace es por qué es tan importante el Higgs. ¿Por qué los físicos de altas energías están tan ilusionados ante este descubrimiento? No es sencillo responder a esta pregunta, como nunca lo es tratar las cuestiones más serias y profundas a las que nos enfrentamos. La idea principal es que deseamos comprender la materia que forma nuestro universo. Existen partículas de materia (electrón, neutrino, quarks) y partículas mediadoras de las interacciones ( fotones, gluones, W y Z). Las partículas de materia tienen masa pero las partículas que median las interacciones no tienen masa, porque un principio de simetría lo prohíbe. De esta forma comprendemos perfectamente por qué el fotón no tiene masa y siempre viaja a la velocidad de la luz. También esperamos que los gluones, los gravitones y las partículas W y Z no tengan masa.

Efectivamente, el gluón y el gravitón no tienen masa y todo parece de acuerdo a los principios de simetría. La gran sorpresa es que las partículas W y Z, mediadores de las interacciones débiles, sí tienen masa. Este hecho observado en la naturaleza parece violar el principio de simetría que construye a la teoría de las interacciones débiles.

El mecanismo de Higgs fue inventado para lograr dar masa a los W y Z, sin violar el principio de simetría de las interacciones débiles. El mismo mecanismo de Higgs articula lo que llamamos ruptura de simetría y también permite dar masa a la materia. El Higgs es pues una especie de puerta de escape que salva a todo el Modelo Estándar. Sin el Higgs, no tendríamos una teoría consistente para describir la teoría de las partículas elementales. O hallábamos el bosón de Higgs, o tendríamos que rehacer la teoría de las partículas elementales.

¿Quién predijo el Higgs?

La partícula de Higgs debe su nombre al físico británico Peter W. Higgs, nacido en 1929. Sin embargo, no es Higgs la primera persona que intuyó el mecanismo de ruptura de simetría que subyace en la predicción del Higgs. La idea precursora se debe a P. Anderson en el campo de la Materia Condensada en el año 1962. En agosto del año 1964, F. Englert y R. Brout, junto a P. Higgs, en octubre del mismo año, propusieron el mecanismo que hoy empleamos. También en diciembre de 1964, G. Guralnik, C. R. Hagen y T. Kibble presentaron un trabajo relevante. Más adelante, en 1966, Higgs y en 1967, S. Weinberg, A. Salam y S. Glashow completaron el mecanismo que hoy llamamos de Higgs. No es posible atribuir el descubrimiento del mecanismo de ruptura de simetría a una única persona. En cierto sentido, no es justo que hoy empleemos el nombre de Higgs para referirnos a un progreso realizado por tantas personas.

Una pregunta obvia que podemos plantear es quién recibirá el premio Nobel por el descubrimiento del Higgs. Por una parte, son al menos siete científicos las personas involucradas en la construcción del mecanismo de Higgs. No es sencillo dirimir los méritos de cada una de las personas involucradas. Por otra parte, el esfuerzo experimental para hallar el Higgs es ingente y también merece reconocimiento. Hay muchísimas personas que han trabajado para que el lhc funcione de forma anónima. Tal vez sea ésta una de las primeras veces en la historia en la que un premio Nobel no pueda ser atribuido de la forma tradicional, a sólo tres personas.

La partícula de Dios

Una nota anecdótica: Peter Higgs es un ateo declarado y odia que la partícula que lleva su nombre sea a veces llamada la partícula de Dios. El tan peculiar nombre de partícula de Dios procede del libro escrito por el premio Nobel L. Lederman, La partícula de Dios: si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta? Sin duda, este provocador título ha aumentado la popularidad de la partícula de Higgs. Pero muchos científicos muestran su desagrado ante esta alusión innecesaria a creencias religiosas.

El descubrimiento del Higgs

Los físicos estamos excitados, en efecto, no hay para menos. El Higgs fue predicho en la década de los 60 y ha sido descubierto en 2012. Han pasado cincuenta años de paciencia y trabajo. Se ha construido la máquina más grande, más sofisticada, más extrema que la humanidad haya jamás imaginado. Ha sido un esfuerzo titánico que, finalmente, nos ha permitido dar un paso más. Hemos empujado un poquito la frontera del conocimiento.

El anuncio preciso del descubrimiento del Higgs incluye el detalle de las desintegraciones que esta nueva partícula obedece. A día de hoy, se han observado con claridad dos canales de desintegración importantes: el Higgs decae a dos fotones y a cuatro leptones. El bosón que se ha hallado podría no seguir exactamente el patrón esperado para el Higgs. Tal vez las proporciones de desintegración en cada canal no se ajusten exactamente a lo esperado. Eso sería fantástico. Un Higgs que no fuera el predicho en el modelo estándar sería la puerta a nuevas teorías, a nuevos conocimientos que aún no imaginamos. Hallar un nuevo gran reto, algo que nos supera, es el alma de la ciencia.

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José Ignacio Latorre es doctor en partículas elementales por la Universitat de Barcelona. Fue Fullbright fellow en el MIT (EE UU) y realizó una estancia postdoctoral en el Instituto Niels Bohr de Copenhague. Es catedrático de Física Teórica en la Universitat de Barcelona. Está especializado en física de partículas elementales e información cuántica.

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por CIC Network

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