El bosó de Higgs

Peter Higgs

El 4 de juliol del 2012 el CERN va anunciar el descobriment d’una nova partícula al Large Hadron Collider (LHC) d’enorme importància per a la comprensió de l’estructura de la matèria. La confirmació de l’existència del bosó de Higgs té per a la física fonamental una rellevància equiparable a la que va tenir el descobriment de l’ADN en biologia o a l’evidència de l’estructura atòmica i molecular en química. Des del punt de vista tecnològic representa una fita comparable a l’arribada de l’home a la Lluna, però les seves repercussions científiques són molt més importants. És també un exemple paradigmàtic de col·laboració internacional, a escala mundial i amb lideratge europeu, que ha unit els esforços de tota la comunitat de físics de partícules cap a un gran objectiu comú. Quatre dècades d’intens treball científic i desenvolupament d’avançades tecnologies han permès confirmar l’existència d’un nou camp de forces, postulat el 1964, que pot fer encaixar les últimes peces de l’anomenat «model estàndard de les interaccions fonamentals» i, potser, obrir una finestra a nous fenòmens de naturalesa insospitada.

«Quatre dècades d’intens treball han permès confirmar l’existència d’un nou camp de forces, postulat el 1964, que pot fer encaixar les últimes peces de l’anomenat “model estàndard de les interaccions fonamentals”»

El model estàndard és un marc conceptual  extraordinàriament elegant i predictiu que, a partir de simples postulats de simetria, és capaç de determinar les propietats dinàmiques de les diferents interaccions. Les seves prediccions han estat comprovades amb gran precisió per un gran nombre d’experiments, i han confirmat que és la teoria correcta del món subatòmic. Tanmateix, la  formulació original tenia un greu problema que la feia inacceptable: les mateixes simetries que determinen les interaccions impliquen que totes les partícules elementals tenen massa nul·la. Encara que això significa una magnífica justificació teòrica de l’abast infinit de les interaccions electromagnètiques i fortes, que són mitjançades per partícules sense massa (el fotó i els gluons) que viatgen a la velocitat de la llum, l’absència de partícules massives faria totalment inviable l’existència de l’univers que coneixem.

El camp de Higgs

Les interaccions del model estàndard són completament determinades per un conjunt de simetries, definides de manera independent en cada punt de l’espai-temps, denominades «simetries de gauge». Aquestes simetries imposen que les partícules mediadores de la interacció, també anomenades «bosons gauge», tinguin massa nul·la. Afortunadament, hi ha un mecanisme de «trencament espontani» de la simetria, capaç de generar les masses d’aquests bosons, mantenint al mateix temps les simetries que fixen la interacció. La idea subjacent és que part de les simetries poden no ser respectades pel buit físic i, per tant, per l’espectre d’estats obtinguts excitant aquest buit. Hi ha molts exemples a la natura de configuracions asimètriques en un sistema simètric, per exemple, un esbart d’ocells volant en una direcció determinada trenca «espontàniament» la simetria rotacional del cel: totes les direccions són a priori iguals, però la triada pels ocells es converteix en especial.

El trencament espontani d’una simetria de gauge va ser analitzat en tres articles publicats el 1964 a la prestigiosa revista The Physical Review Letters. Els científics belgues François Englert i Robert Brout signaven el primer, l’anglès Peter W. Higgs, el segon, i el tercer, els americans Gerald S. Guralnik i Carl R. Hagen i l’anglès Thomas W. B. Kibble. Utilitzant idees aplicades prèviament en superconductivitat, aquests autors van mostrar que quan una interacció basada en simetries de gauge es combina amb un camp de forces addicional que trenca espontàniament la simetria, els bosons gauge poden adquirir una massa finita. Posteriorment, Steven Weinberg i Abdus Salam van incorporar aquest mecanisme a la teoria electrofeble de Sheldom Glashow i així van donar lloc al que actualment anomenem «model estàndard».

El model estàndard utilitza una implementació senzilla del mecanisme de trencament espontani de simetria, introduint un nou camp de forces, anomenat «camp de Higgs», que en interaccionar amb el W± i el Z genera la massa d’aquestes dues partícules. El camp de Higgs té els mateixos nombres quàntics que el buit físic, no té càrrega elèctrica ni càrrega forta (color), de manera que no interacciona amb els fotons i gluons. És un camp que impregna tot l’espai-temps i frena el moviment de les partícules que hi interactuen, de manera que aquestes adquireixen massa. Els fotons i gluons viatgen a la velocitat de la llum perquè no noten el camp de Higgs, continuen sent per tant partícules de massa zero. Com tot camp quàntic, el camp de Higgs té el seu propi mediador de la interacció, una excitació del camp de forces anomenada «bosó de Higgs». L’autointeracció del camp de Higgs amb si mateix genera també una massa per al bosó de Higgs.

Les masses dels leptons carregats i dels quarks es generen també mitjançant la seva interacció amb el camp de Higgs. El variat espectre de masses que mostren els constituents de la matèria reflecteix les molt diferents intensitats que tenen les seves corresponents interaccions amb el camp de Higgs: a més massa més interacció.

El bosó de Higgs és inestable; es desintegra molt ràpidament en una partícula i la seva corresponent antipartícula. El canal de desintegració més probable serà el de la partícula més pesant en la qual pugui decaure.

42-76

Esdeveniment observat pel detector CMS en col·lisions protó-protó a 8.000 GeV. Les dues línies discontínues grogues seguides de torres verdes corresponen a dos fotons de molt alta energia, presumiblement originats per la desintegració de la nova partícula escalar. / Claudia Marcelloni

A la recerca del bosó de Higgs

Donada la seva importància conceptual, dilucidar la possible existència del bosó de Higgs ha estat l’objectiu fonamental de la física d’altes energies durant molts anys. Com que la teoria no determina el valor de la seva massa, la recerca del Higgs ha estat una cacera a cegues, ja que desconeixíem on (a quina energia?) podíem trobar-lo. Afortunadament, les regles del joc estaven molt ben definides. Fixat un valor de la massa del bosó de Higgs, el model estàndard prediu amb gran precisió totes les seves propietats. Això ens ha permès anar excloent gradualment possibles regions de masses, a mesura que els acceleradors de partícules anaven augmentant l’energia disponible per produir l’hipotètic Higgs.

A la fi del segle xx, gràcies a les dades (negatives) recollides al Large Electron-Positron Collider (LEP) del CERN, s’havia descartat l’existència del Higgs per a masses inferiors a 114 GeV (1 GeV és aproximadament la massa d’un protó). Quan aquest accelerador va assolir la seva màxima energia, es van observar alguns successos anòmals que podrien ser interpretats mitjançant un bosó de Higgs amb massa just per damunt dels 115 GeV, però el nombre d’esdeveniments acumulats quan es va tancar el LEP era insuficient per poder extreure’n conclusions fiables.

«La recerca del Higgs ha estat una cacera a cegues, ja que desconeixíem on (a quina energia?) podíem trobar-lo. Afortunadament, les regles del joc estaven molt ben definides»

Consideracions teòriques de consistència del model estàndard indicaven també que la regió de masses més probable devia estar entre els 115 i 150 GeV. Encara que l’energia del LEP fos massa petita per produir-lo, un Higgs en aquesta regió de masses modifica lleugerament, a través d’efectes quàntics, les propietats del bosó Z que el LEP va mesurar amb gran precisió. L’anàlisi de les dades va permetre obtenir evidències convincents que el Higgs hi era prop. No el podíem veure, però les seves petjades estaven en les dades recollides. Malauradament, hauríem d’esperar tota una dècada per resoldre l’enigma, fins que el LHC entrés en funcionament.

La caça del Higgs va prosseguir de manera infructuosa al Tevatró del Fermi National Laboratory, situat prop de Chicago (EUA), que durant molts anys va ostentar el rècord mundial d’energia: va produir col·lisions de protons i antiprotons d’1 TeV (= 1.000 GeV). Encara que el Tevatró tenia energia suficient per a produir el Higgs, el soroll de fons impedia trobar un senyal. Com que el bosó de Higgs és inestable, només podem buscar els productes de la seva desintegració, però aquestes partícules secundàries també són produïdes directament i amb molta més intensitat pel col·lisionador. És com buscar una agulla en un paller. Després de molts esforços, el Tevatró només va aconseguir descartar l’existència del Higgs en una petita regió de masses al voltant dels 160 GeV. Igual com va succeir al LEP, en l’últim any de funcionament del Tevatró s’han arribat a intuir possibles successos anòmals entre 120 i 130 GeV, però sense la fiabilitat necessària per poder extreure’n conclusions.

«És aviat per afirmar rotundament que hem trobat el bosó de Higgs. Però ja sabem que hem fet un descobriment d’enorme importància: un nou camp de forces, de naturalesa diferent als altres»

La major energia de l’LHC i la impressionant sensibilitat dels seus dos grans detectors, ATLAS i CMS, han fet possible assolir ràpidament l’objectiu desitjat. En finalitzar el seu primer any de funcionament, l’LHC ja havia exclòs una àmplia regió de masses, entre 115 i 600 GeV, i només havia deixat una petita finestra oberta al voltant dels 125 GeV. El bosó de Higgs quedava així arraconat en una zona molt interessant (es poden estudiar diversos canals de desintegració diferents), però difícil perquè el soroll de fons és major. Finalment, en el 2012 els dos detectors han obtingut evidències contundents de l’existència d’una nova partícula, amb una massa propera als 126 GeV, observant la seva desintegració en dos fotons, un canal poc probable però amb un senyal molt clar: dos fotons molt energètics. La veracitat de la troballa ha estat reforçada amb evidències addicionals obtingudes en altres canals de desintegració. En l’argot estadístic utilitzat pels físics, les proves obtingudes tenen un nivell de confiança superior a 5 σ (99,9999 %), és a dir, la probabilitat d’equivocar-se és menor del 0,0001 %, de manera que podem parlar oficialment de «descobriment».

43-76Cat

Distribució de «massa invariant» (suma de les energies en el sistema de referència en repòs) de successos de dos fotons, mesurada pel detector ATLAS (Aad et al., 2012). El pic a 126 GeV mostra l’existència d’un bosó desintegrant-se en dos fotons. La figura de dalt mostra tots els esdeveniments observats, incloent-hi el soroll de fons, mentre que aquest soroll ha estat sostret en la figura de baix. / ATLAS Collaboration

Què en sabem realment?

Encara és aviat per afirmar rotundament que hem trobat el bosó de Higgs del model estàndard. No obstant això, ja sabem que hem fet un descobriment d’enorme importància per a la física. Hem trobat un nou camp de forces, de naturalesa diferent als altres. A diferència de les interaccions electromagnètica, forta i feble, no és una força gauge. Hem descobert una cosa totalment nova, amb les característiques que havia de tenir el bosó de Higgs. Si no és el Higgs, s’hi assembla molt!

ATLAS i CMS continuen recollint dades addicionals a gran velocitat, de manera que aviat podrem tenir una idea prou clara de les propietats de la nova partícula. La informació disponible actualment encaixa bé amb el bosó que estàvem buscant. Si a l’últim és el Higgs, haurem tancat un capítol impressionant del progrés científic amb la plena confirmació del model estàndard. Si, per contra, s’hi observen discrepàncies, la importància seria fins i tot més gran, ja que hauríem descobert un objecte similar al Higgs però amb característiques noves, la qual cosa mostraria l’existència de nova física encara desconeguda. En qualsevol cas, i després d’una parada tècnica de dos anys per augmentar la potència dels imants, l’LHC tornarà a funcionar amb el doble d’energia (14 TeV) per continuar explorant les fronteres del coneixement.

La ciència espanyola en el context internacional

Aquest important descobriment ha estat el resultat d’un esforç col·lectiu, al qual han contribuït institucions científiques de molts països. L’aportació espanyola ha estat molt rellevant. Els nostres grups experimentals han construït parts importants dels detectors, que han estat crucials per a l’èxit final. El grup de l’IFIC, per exemple, ha assumit importants responsabilitats en la construcció dels detectors de vèrtex (Silicon Vertex) i del calorímetre hadrònic (TiCal) d’ATLAS. En els últims anys, els grups espanyols s’han coordinat a través del Centre Nacional de Física de Partícules, Astropartícules i Nuclear (CPAN), amb seu a l’IFIC, assegurant el suport tècnic i científic necessari perquè tot (detectors, processament informàtic i anàlisi de les dades) funcionés correctament. Una petita dada, poc coneguda, mostra la visibilitat aconseguida: el 2012, any del descobriment, els collaboration boards d’ATLAS i CMS són presidits per dues científiques del CPAN: Martine Bosman (IFAE, ATLAS) i Teresa Rodrigo (IFCA, CMS). Per una vegada, la ciència espanyola ha estat en primera línia d’un gran descobriment científic.

El model estàndard i el problema de les masses

El model estàndard ofereix una descripció simple i precisa del món microscòpic, basada en uns pocs constituents elementals, els quarks i leptons, i tres forces fonamentals, electromagnètica, forta (o nuclear) i feble (no inclou la gravetat), cadascuna de les quals amb les seves corresponents partícules intermediàries de la interacció. La força electromagnètica es produeix mitjançant l’intercanvi de fotons (γ), les partícules que constitueixen la llum. De la mateixa manera l’intercanvi de gluons (ga) genera la interacció forta, mentre que la interacció feble és mitjançada per l’intercanvi dels bosons massius W± i Z.

Aquesta interacció feble, responsable d’iniciar les reaccions que fan lluir els estels i de bona part de la radioactivitat natural, només es manifesta a distàncies més petites que la mesura del nucli atòmic perquè els seus bosons mediadors, W± i Z, són molt pesants, amb masses 80 i 90 vegades, respectivament, més grans que la del protó. L’«obesitat» d’aquestes dues partícules suprimeix enormement la intensitat de la interacció, d’aquí la denominació de «feble», regulant la velocitat a la qual es produeixen les desintegracions β i alguns processos crítics per al funcionament de la nostra principal font d’energia, el Sol. Sense aquestes dues grans masses, l’univers seria molt diferent.

«Amb dos quarks, l’electró i el neutrí electrònic podem entendre tota la matèria ordinària que ens envolta»

Encara que els constituents elementals de la matèria ordinària són molt lleugers, les seves petites masses són un ingredient necessari per a fer possible la nostra pròpia existència. Les masses de l’electró i dels quarks u (up) i d (down) són menyspreables (2.000, 500 i 200 vegades més petites, respectivament) enfront de les masses del protó i del neutró, objectes compostos per quarks u i d. La massa dels nuclis atòmics, i per tant de la matèria, és generada per la mateixa energia de la interacció forta que manté els quarks permanentment confinats dins dels protons i neutrons. No obstant això, és la petita massa de l’electró la que permet l’existència de l’àtom. Un electró sense massa viatjaria a la velocitat de la llum i no podria ser atrapat pel nucli atòmic. Totes les propietats químiques i estructures biològiques conegudes depenen en última instància del valor petit, però no nul, de la massa de l’electró. El quark d és més pesant que l’u; la diferència entre les seves dues masses sembla irrellevant davant les masses dels nuclis atòmics, però és el paràmetre crític que permet la seva estabilitat. Si el quark d fos més lleuger, el protó tindria una massa major que la del neutró i es desintegraria; els nuclis atòmics que coneixem no existirien i tampoc els àtoms, molècules, etc.

Amb dos quarks, u i d, l’electró (e) i el neutrí electrònic (νε), emès pels nuclis radioactius, podem entendre tota la matèria ordinària que ens envolta. Malgrat això, la naturalesa ha replicat tres vegades cada un d’aquests quatre objectes. El muó (μ) i el tau (τ) són partícules idèntiques a l’electró, però de major massa, amb els seus respectius neutrins associats, νμ i ντ. La massa és també l’única diferència entre els quarks u i d i les seves rèpliques més pesants, c (charm) i t (top o truth) en el cas del u, s (strange) i b (bottom o beauty) per al d. Desconeixem les raons de l’existència d’aquestes rèpliques, també anomenades «famílies» o «generacions», però sembla evident que la resposta ha d’estar associada a l’origen de les seves diferents masses.

L’espín del higgs

L’espín és un nombre quàntic que caracteritza el comportament d’una partícula sota rotacions. És un moment angular intrínsec (una mena de moviment de rotació de la partícula sobre si mateixa, com una baldufa) que, d’acord amb les lleis de la mecànica quàntica, només pot prendre valors que siguin múltiples sencers (J = 0, 1, 2 …) o semisencers (J = 1/2, 3/2, 5/2 …) de la constant de Planck “. La consistència de la mecànica quàntica amb els principis de la relativitat d’Einstein imposa que partícules idèntiques amb espín semisencer (fermions) no poden compartir un mateix estat quàntic, a diferència dels bosons (espín sencer) que s’agrupen sense problemes a l’estat d’energia més baixa. Les implicacions físiques d’aquesta «petita diferència» són enormes. Els constituents de la matèria (quarks i leptons) tenen espín 1/2, mentre que els mediadors de les interaccions gauge són bosons d’espín 1. El caràcter fermiònic de l’electró manté estable l’estructura atòmica i evita que tots els electrons caiguin a l’estat fonamental. De la mateixa manera, l’estabilitat nuclear està associada amb el fet que el protó (uud) i el neutró (udd) són fermions.

«L’espín és un nombre quàntic que caracteritza el comportament d’una partícula sota rotacions»

La conservació del moment angular prohibeix la desintegració d’un fermió en dos fotons, també prohibeix la desintegració en aquest canal d’una partícula d’espín 1. Per tant, la nova partícula descoberta pel LHC és un bosó amb espín diferent d’1, ja que es desintegra en dos fotons. Això vol dir que hem trobat un nou camp de forces (bosó), però d’un tipus diferent de totes les altres forces conegudes. Molt probablement, el seu espín ha de ser zero, és a dir, es tractaria d’un camp de forces sense espín com el camp de Higgs del model estàndard. L’LHC aviat ens permetrà comprovar-ho i analitzar altres importants propietats del nou bosó.

Aad, G. et al. [ATLAS Collaboration], 2012. «Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the Atlas Detector at the LHC». Physics Letters B, 716(1): 1-29.

Chatrchyan, S. et al. [CMS Collaboration], 2012. «Observation of a New Boson at a Mass of 125 GeV with the CMS Experiment at the LHC». Physics Letters B, 716(1): 30-61.

Bibliografia

Aad, G. et al. [ATLAS Collaboration], 2012. «Observation of a New Particle in the Search for the Standard Model Higgs Boson with the Atlas Detector at the LHC». Physics Letters B, 716(1): 1-29.

Chatrchyan, S. et al. [CMS Collaboration], 2012. «Observation of a New Boson at a Mass of 125 GeV with the CMS Experiment at the LHC». Physics Letters B, 716(1): 30-61.

© Mètode 2013 - 76. Dones i ciència - Hivern 2012/13

Catedràtic de Física. Institut de Física Corpuscular (IFIC), Universitat de València – CSIC. Coordinador del Centre Nacional de Física de Partícules, Astropartícules i Nuclear (CPAN).

RELATED ARTICLES
Filter by
Post Page
Els perquès de Mètode La pipeta Caiguda lliure Fotogrames de ciència
Sort by