Física de partículas

El bosón de Higgs: qué sabemos y qué nos queda por saber

Un nuevo acelerador de partículas de 90 kilómetros permitirá conocer más detalles sobre esta misteriosa partícula descubierta hace 12 años

5 min
LA INVESTIGACIÓN DE LOS ORÍGENES Un científico del Centro Europeo de Investigación Nuclear en el mando del Gran Colisionador de Hadrones, en Grenoble.

GinebraEl 4 de julio de 2012 concluyó un periplo que duró casi 40 años, desde que en 1964 los físicos Peter Higgs y François Englert entre otros, prediguaran la existencia de una nueva partícula, un bosón, que explicara el mecanismo por el que el resto de partículas adquieren demasiado. Con el objetivo de encontrar esta nueva partícula, en 2010 se puso en marcha el LHC, el Gran Colisionador de Hadrones, en el CERN, el Centro Europeo para la Investigación Nuclear, ubicado cerca de la ciudad suiza de Ginebra. Situado 100 metros bajo tierra, este acelerador de partículas de 27 kilómetros de perímetro acelera protones casi a la velocidad de la luz y los hace colisionar entre sí en cuatro puntos diferentes, recreando las condiciones que existían en el Universo poco después del Big Bang y generando el entorno propicio para observar el bosón de Higgs.

La zona on s’instal·lararia el futur accelerador de partícules

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Sólo dos años después de ponerse en marcha, aparecieron las primeras señales de la partícula que habían predicho Higgs y Englert. “Mesos antes vimos que había algo –comenta el físico David de Enterria, investigador senior del CERN que participó en el descubrimiento–. Supimos que lo habíamos descubierto un mes antes del anuncio oficial. Fue muy emocionante”, recuerda.

Doce años de aprendizaje continuo

Desde su descubrimiento, los experimentos llevados a cabo en el LHC han servido para entender más detalles sobre esta partícula. Por ejemplo, se ha podido medir con mayor precisión su masa, así como su forma de interaccionar con otras partículas del modelo estándar, la teoría que describe el funcionamiento del mundo subatómico. "Con el LHC hemos logrado medidas que eran impensables cuando se diseñó, y con precisiones muy altas", explica Enterria.

Pero lejos de representar el fin de una etapa, el descubrimiento del bosón de Higgs abrió la puerta de un nuevo universo lleno de incógnitas. “Nos queda mucho por conocer. Con el LHC no seremos capaces de entender cómo el bosón de Higgs interactúa y se da demasiado a sí mismo, por ejemplo. Esta información es fundamental, ya que podría tener consecuencias incluso para estudiar la estabilidad del propio Universo”, comenta Enterria.

Sólo conocemos un 5% del Universo

De lo que estamos seguros es que sabemos muy poco sobre nuestro propio Universo. La materia ordinaria que conforma nuestro entorno representa sólo el 5% del contenido total de Cosmos. El 95% restante es completamente desconocido. Por un lado, existe un tipo de materia que afecta al movimiento de las galaxias y que está compuesta de elementos distintos de los que conocemos. Este tipo de materia recibe el nombre de materia oscura porque no interacciona con la luz. Pero tres cuartas partes del Universo las compone la energía oscura, una especie de energía que llenaría todo el espacio y que provoca que el Universo no sólo se esté expandiendo, sino que cada vez lo haga más deprisa.

La energía y la materia oscuras representan dos de las grandes incógnitas que los futuros experimentos del LHC intentarán dirigir. Pero para explorar las regiones más íntimas del mundo subatómico y entender todas estas cuestiones necesitamos nuevos experimentos que sean capaces de producir mayores colisiones con una energía aún mayor. "Para entender todos estos detalles es necesaria una máquina más grande y potente", declara el investigador del CERN.

La imprescindible contribución catalana

En los diferentes proyectos en los que está participando el CERN, incluido el FCC, destaca la contribución de los diferentes grupos de investigación presentes en Cataluña. “Históricamente, tenemos una muy buena formación académica en física y grupos de investigación muy potentes” –comenta David de Enterria, físico sénior del CERN–. El FCC será una forma de garantizar la excelencia de la física de aceleradores y la física de partículas en los Països Catalans, además del retorno industrial tecnológico que supondrá”.

El futuro experimento de 90 kilómetros

Por ello, el CERN ha propuesto lo que podría ser el siguiente gran colisionador de partículas: el Future Circular Collider (FCC). Instalado en un túnel de 90 kilómetros de circunferencia excavado a una profundidad de unos 200 metros, el FCC se plantea en dos etapas distintas que empezarían durante los años treinta y se alargarían hasta finales de siglo. Durante la primera etapa se harían colisionar electrones y positrones (la antipartícula del electrón). Permitiría entender con mucha precisión algunos procesos que involucran al bosón de Higgs y sembraría el terreno por la segunda fase durante la cual se harían colisionar haces de protones entre sí a una energía más de tres veces superior a la del LHC. En esta segunda etapa se depositarían todas las esperanzas de encontrar nuevos fenómenos y partículas jamás observadas como, por ejemplo, partículas de materia oscura.

Más allá de lo puramente científico y tecnológico, el FCC representa un reto a otros niveles, como lo son el social y medioambiental. Por ejemplo, la excavación del túnel emitiría a la atmósfera una cantidad significativa de CO2. Otro aspecto importante es el gran consumo eléctrico que requeriría la operación de esa máquina. En un escenario en el que el calentamiento global y la crisis energética se ponen de manifiesto, encontrar estrategias para reducir el impacto y el coste energético es esencial para asegurar la viabilidad del proyecto a largo plazo. Por todos estos motivos, el proyecto se encuentra actualmente en una fase de estudio de viabilidad, en la que todos estos aspectos se ponen sobre la mesa y se discuten entre los actores implicados.

Esto y el elevado coste global del proyecto, estimado en más de 20.000 millones de euros, puede hacer cuestionar su viabilidad. Sin embargo, más allá de la creación de conocimiento, existen estudios que demuestran que el retorno económico que tendrá supera el coste con creces. El impacto en la industria, la formación de nuevos científicos y la creación de bienes culturales se estima que supondría un retorno de más de 1,5 veces la inversión.

El estudio de viabilidad del proyecto se cerrará el próximo año y, siguiendo sus conclusiones, los diferentes estados miembros del CERN decidirán los pasos a seguir dentro de la estrategia europea de la física de partículas.

Una lección del pasado y un competidor asiático

Con el FCC no es la primera vez que la comunidad científica plantea un proyecto de un acelerador de partículas de casi 100 km. Durante los años ochenta, Estados Unidos aprobó la construcción del Superconducting Super Collider (SSC), un acelerador de partículas de 90 km de circunferencia situado en una zona desértica del sur de Dallas, en Texas, para colisionar protones en energías superiores a las del actual LHC. Una mala gestión del proyecto, unos sobrecostes desorbitados y el fin de la Guerra Fría contra la Unión Soviética provocaron que el Congreso de Estados Unidos decidiera cancelar el proyecto una vez que ya se había excavado un tercio del túnel que alojaría el acelerador . “Uno de los principales problemas que tuvo el SSC es que se concibió como un proyecto puramente americano. Un proyecto así sólo puede tener éxito si es una colaboración internacional”, explica de Enterria.

La ciencia no entiende de fronteras, por lo que la filosofía del CERN es la de llevar a cabo proyectos que necesitan una colaboración a escala global, donde las naciones se unan con un único propósito. Sin embargo, éste no es el punto de vista de todos los países. Por ejemplo, China está desarrollando su propio proyecto de colisionador de partículas gigante y ya ha expresado su intención de construirlo. Basta con la aprobación final del gobierno de Xi Jinping para empezar la excavación del túnel. Desde Occidente, la comunidad científica ve el proyecto del gigante asiático con mucho escepticismo. La opacidad y el cierre que se transmite sobre su estado y su evolución generan muchas dudas. “Una máquina así es orfebrería fina. Aunque sean capaces de construirlo, no sabemos si va a funcionar nunca. Están cometiendo los mismos errores del proyecto americano”, declara Enterria.

Un futuro esperanzador

El descubrimiento del bosón de Higgs requirió la colaboración de decenas de miles de personas que trabajaban con un único objetivo. Proyectos como éste son un ejemplo de cooperación y nos permiten afrontar el futuro con esperanza. “Yo soy optimista porque no hay alternativa. Cuando ves lo que hemos conseguido no puedes sino emocionarte”, concluye Enterria.

El modelo estándar y el bosón de Higgs

El modelo estándar es la teoría física que describe el mundo subatómico, que está compuesto por partículas de materia, los quarks y los leptones; y por las partículas mediadoras de las interacciones fundamentales: la fuerza nuclear débil, responsable de las desintegraciones nucleares, y representada por los bosones W y Z; la fuerza nuclear fuerte, responsable de mantener los núcleos atómicos y mediada por los gluones; y la fuerza electromagnética, responsable de la luz y el magnetismo, mediada por los fotones. A todas estas partículas hay que añadir el bosón de Higgs, responsable de proporcionarle demasiado al resto de partículas mencionadas. Sin embargo, este modelo es incompleto porque no es capaz de explicar la materia y la energía oscuras. Por esa razón, los físicos buscan modelos que vayan más allá del modelo estándar.

Model estàndard de la física de partícules

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