Cameron Merritt
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Hoy es un buen día para la física..
Dos nuevos resultados publicados hoy (4 de junio) han encontrado que el bosón de Higgs aparece junto con la partícula más pesada jamás descubierta. Y los resultados podrían ayudarnos a comprender mejor uno de los problemas más fundamentales de la física: por qué la materia tiene masa..
Los hallazgos fueron publicados en la conferencia Large Hadron Collider Physics 2018 en Bolonia, Italia. El descubrimiento se logró de forma independiente mediante dos experimentos (un aparato toroidal LHC, o ATLAS, y un solenoide de muón compacto, o CMS) utilizando datos registrados en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), ubicado en el laboratorio del CERN en Suiza. Estos resultados están disponibles para el público en dos artículos, uno recién enviado para publicación y otro recién publicado..
Cazando para misa
La caza del Higgs y los orígenes de la masa tienen una historia fascinante. En 1964, varios grupos de científicos, incluido el físico británico Peter Higgs y el físico belga Francois Englert, predijeron que la masa de partículas subatómicas fundamentales surgió a través de interacciones con un campo de energía ahora llamado campo de Higgs. El campo de energía impregna el universo. Las partículas que interactúan más con el campo son más masivas, mientras que otras interactúan poco con el campo y algunas no lo hacen en absoluto. Una consecuencia de esta predicción es que debería existir una partícula subatómica llamada bosón de Higgs. [6 implicaciones de encontrar el bosón de Higgs]
Después de casi 50 años de búsqueda, los investigadores del LHC encontraron el bosón de Higgs en 2012. Por su predicción exitosa, Higgs y Englert compartieron el Premio Nobel de Física 2013.
La partícula subatómica fundamental más pesada conocida es el quark top, descubierto en 1995 en Fermilab, ubicado al oeste de Chicago. Hay seis quarks conocidos. Dos son estables y se encuentran en el centro de los protones y neutrones. Los otros cuatro son inestables y se crean solo en aceleradores de partículas grandes. Un solo quark top tiene una masa comparable a un átomo de tungsteno.
Medición esquiva
En el anuncio de hoy, los científicos describieron una clase de colisiones en las que se creó un par de materia / antimateria de quarks superiores simultáneamente con un bosón de Higgs. Estas colisiones permiten a los científicos medir directamente la fuerza de interacción entre los bosones de Higgs y los quarks top. Debido a que la interacción de una partícula con el campo de Higgs es lo que le da a una partícula su masa, y debido a que el quark top es la partícula subatómica fundamental más masiva, el bosón de Higgs interactúa más fuertemente con el quark top. En consecuencia, las interacciones de este tipo son un laboratorio ideal en el que realizar estudios detallados de los orígenes de la masa.
Esta medición fue particularmente desafiante. El descubrimiento del bosón de Higgs en 2012 involucró solo un puñado de colisiones. Las colisiones en las que se producen simultáneamente los bosones de Higgs y los quarks superiores ocurren solo en el 1 por ciento de las colisiones en las que se produce un bosón de Higgs. Cuando se incluye la gran variedad de formas en que los quarks superiores pueden decaer, este análisis requirió decenas de análisis independientes, en los que participaron cientos de investigadores. Luego, los análisis se combinaron en una sola medición. Este fue un logro muy difícil.
Antes de esta medición, no era posible medir directamente la fuerza de interacción de un quark top y los bosones de Higgs. Los bosones de Higgs tienen una masa de 125 GeV (mil millones de electronvoltios) y el quark top tiene una masa de 172 GeV. Entonces, un par de quark / antiquark superior tiene una masa de 344 GeV, que es mayor que la masa del bosón de Higgs. Por lo tanto, es imposible que un bosón de Higgs se descomponga en un par top quark / antiquark. En cambio, se crea un par top quark / antiquark y una de esas dos partículas emite un bosón de Higgs. Cada quark superior se descompone en tres partículas y el bosón de Higgs se descompone en dos. Por lo tanto, después de la descomposición de las partículas, se encuentran ocho productos de descomposición diferentes en el detector, que deben asignarse correctamente. Es un conjunto de datos muy complejo. [Extraños quarks y muones, ¡oh Dios! Las partículas más pequeñas de la naturaleza diseccionadas]
También es un tipo de interacción muy poco común. Los científicos examinaron alrededor de un cuatrillón (10 elevado a la potencia de 15) colisiones entre pares de protones para identificar un puñado de colisiones con las características necesarias..
Misterios residuales
Si bien el descubrimiento del bosón de Higgs y las mediciones posteriores llevan a los investigadores a creer que la teoría escrita por primera vez en 1964 por Higgs y Englert y otros es correcta, quedan algunos misterios residuales importantes. Entre ellos: ¿Por qué el bosón de Higgs tiene la masa que tiene? ¿Y por qué hay un campo de Higgs? El primero y más importante es el hecho de que la teoría de Higgs no está motivada por un marco teórico más profundo. Simplemente se agrega. En su forma más simple, el Modelo Estándar (que es la teoría principal de las interacciones subatómicas) predice que todas las partículas subatómicas fundamentales no tienen masa. Esto está en contradicción directa con las mediciones. La teoría de Higgs se agrega, como una especie de curita teórica, al modelo estándar. Debido a que la teoría de Higgs puede explicar la masa de estas partículas, la teoría de Higgs ahora se ha incluido en el Modelo Estándar..
Pero sigue siendo una curita, y esa es una situación insatisfactoria. Quizás al estudiar las interacciones entre los bosones de Higgs y las partículas con las que interactúan más fuertemente, descubriremos algún comportamiento que apunta a una teoría subyacente más profunda y explicativa..
Además, el valor numérico de la masa del bosón de Higgs es un poco misterioso. El campo de Higgs da masa a las partículas subatómicas fundamentales, incluido el propio bosón de Higgs. Sin embargo, la historia es más compleja que eso. Debido a los efectos de la mecánica cuántica, el bosón de Higgs puede transmutarse temporalmente en otras partículas subatómicas, incluido el quark top. Mientras el bosón de Higgs se encuentra en este estado transmutado, estas partículas temporales pueden interactuar con el campo de Higgs y, por lo tanto, cambiar indirectamente la masa del bosón de Higgs. Cuando se toman en consideración estos efectos, la masa predicha y medida del bosón de Higgs está en desacuerdo salvaje. Este es un misterio apremiante para la física moderna y, con suerte, mejores mediciones de las interacciones de los bosones de Higgs arrojarán luz sobre este enigma..
Aunque el anuncio de hoy implica solo una pequeña cantidad de colisiones en las que se crean los quarks superiores y los bosones de Higgs, en el futuro será posible estudiar este proceso con mucha mayor precisión. El LHC está funcionando de manera excelente, pero para fines de 2018, habrá entregado solo el 3 por ciento de los datos que se espera que entregue. A finales de 2018, el LHC se cerrará durante dos años para realizar actualizaciones y renovaciones. En 2021, el colisionador reanudará sus operaciones con fuerza, operando hasta 2030. Durante ese período, los científicos esperan registrar 30 veces más datos de los que se habrán recopilado para fines de este año..
Es difícil saber qué encontraremos. El LHC y los detectores asociados son piezas de tecnología extraordinarias y, de hecho, es probable que entreguen incluso más datos de los previstos. Con tanta información, es muy posible que los científicos descubran algún fenómeno nuevo que no se ha descubierto, pero que requerirá que reescribamos los libros de texto. Eso no es una garantía, pero una cosa es segura: el anuncio de hoy establece un camino claro para comprender mejor los orígenes de la masa.
Nota del editor: Don Lincoln es investigador de física en Fermilab. Es el autor de "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), y produce una serie de videos de educación científica.. Síguelo en Facebook. Las opiniones expresadas en este comentario son su.