Del átomo al Higgs XIII: Búsqueda y hallazgo del bosón de Higgs

La Naturaleza no nos ha puesto fácil observar al bosón de Higgs. En su detección hay dos retos, cada uno de ellos monumental. El primer reto, para comenzar, es concentrar en una región del espacio de tamaño menor de unos 10-18m la energía suficiente para producir en el campo de Higgs una excitación de la “intensidad” mínima posible en ese campo. Si se consigue, al poquísimo tiempo de haber sido creado, el Higgs-partícula, que es inestable, se desintegrará en otros subproductos. El segundo reto es, entre todas las miriadas de partículas que se producirán como consecuencia de tamaña concentración, deberemos ser capaces de identificar unas pocas de ellas, aquellas cuya existencia se deba a la desintegración del Higgs tras su efímera existencia, y obtener de su registro evidencia suficiente para concluir que, por un brevísimo tiempo, existió un bosón de Higgs.

Comencemos con el problema de concentrar la energía. ¿Cuanta? Esta energía debe ser mayor que la que corresponde a la masa del bosón de Higgs.  La teoría previa no permite predecir esta masa, pero por diversos argumentos se esperaba que fuera bastante alta (y hoy sabemos que en efecto es unas 135 veces la masa del protón). Podemos ver este proceso como la creación (“extracción”) de un bosón de Higgs a partir del preexistente campo de Higgs.

Para conseguirlo, una idea (realmente de fuerza bruta, como las técnicas de guerra medievales) es acelerar protones a energías muy altas y hacerlos colisionar, esperando que en unas pocas (muy muy pocas) del total de las colisiones producidas, algunos gluones constituyentes de los protones choquen de manera que ingenua (e incorrectamente, claro) describiríamos como “completamente frontal”. Como la energía del protón está distribuida entre sus (muchos) componentes, podemos esperar que al menos en unos pocos casos los constituyentes que choquen “frontalmente” tengan una parte sustancial de la energía del protón y esta energía, concentrada en una región extremadamente pequeña del espacio por la colisión, sea suficiente para que se produzca un Higgs. Que por supuesto, en caso de producirse aparecerá junto con otros muchos subproductos, que provendrán de los restantes constituyentes de los protones.  Esta complicación es inevitable en colisiones de protones, y todo sería más limpio si las partículas empleadas como proyectiles fueran elementales, como los electrones.


Conviene hacer números.  La masa que hoy sabemos tiene el Higgs es de 126 GeV/c2, unas 135 veces mayor que la del protón. La relatividad nos enseña que, a igualdad de presupuesto energético, a efectos de crear nuevas partículas en colisiones de proyectiles con blancos del mismo tipo, acelerar los dos haces, de proyectiles y de blancos, cada uno de ellos con la mitad de la energía disponible  para hacerles colisionar en direcciones opuestas, es muchísimo más favorable que invertir toda la energía en acelerar el haz de proyectiles dirigido contra un blanco fijo.

Al margen de los detalles finos del proceso que podría dar lugar a la producción del Higgs, las consideraciones de balance energético mandan. Imaginemos ahora que se trata de dos haces de protones, acelerados ambos hasta las mismas energías por partícula y dirigidos a colisionar. La primera estimación ingenua de una cota inferior para  “¿hasta qué energía debemos acelerar los protones para conseguir que su colisión pueda crear un bosón de Higgs?” sería que como mínimo los protones en cada uno de dos haces deben tener energía cinética que sea del orden de magnitud de la energía de reposo del Higgs.

Pero este cálculo se queda muy corto pues, como vimos en un post anterior, el protón no es una partícula elemental, sino que tiene una estructura interna complicada, y realmente, si queremos producir un Higgs por fusión de dos gluones (que es el canal de producción que la teoría predice como el más frecuente en éstas colisiones), necesitamos que sean los gluones componentes, y no los protones como un todo, quienes tengan una energía del orden de la masa del Higgs. Como la energía del protón deberá estar repartida entre sus constituyentes (quarks de valencia, gluones y otros quarks), una estimación rápida nos sugiere que para que este proceso pueda realmente producir un Higgs, al menos deberemos contar con un orden más de magnitud para la energía de los protones, probablemente más, lo que significa que los protones de cada haz deben acelerarse hasta que sus energías totales estén por encima del teraelectron-voltio, TeV = 1000 GeV.

La tecnología, tamaño y rango de energías accesibles en los grandes aceleradores ha aumentado sin cesar desde los primeros ciclotrones de la década de los 1930s, como vimos en un post anterior al comentar los diagramas de Livingstone. Pero ninguno de los aceleradores existentes cuando en 1964 se propuso el campo de Higgs, ni en 1975, cuando el modelo estandar pasó a ser aceptado, podían conseguir energías de 1 TeV (por partícula). A principios de la década de los 90s, lo más cercano era el Tevatrón del Fermilab, funcionando desde 1983 y que acelera protones y antiprotones hasta casi un TeV por cada haz. Se necesitaban nuevos aceleradores.

Esquema

Esquema del LHC, aprovechando los anillos de preaceleración y almacenamiento previamente existentes.

Tras la cancelación en 1993 de un proyecto de colisionador norteamericano, el Superconducting Supercollider SCC, que ya se había comenzado a construir en Texas, y que habría cubierto sobradamente el rango de energías necesario, en diciembre de 1994 se aprobó la construcción en el CERN del Large Hadron Collider, abreviado LHC. Su construcción ha durado 15 años, reaprovechando algunas de las instalaciones utilizadas por su predecesor, el Large Electron-Positron collider, LEP.

El LHC se diseñó para alcanzar energías de hasta 14 TeV en sistema del centro de masas, energía que no se ha alcanzado en las rondas efectuadas hasta ahora, y a la que se espera llegar en 2015. Esta energía parecía suficiente para explorar todo el espectro de las posibles masas del Higgs, por entonces desconocida, pero que muchos argumentos indirectos sugerían en el intervalo de más o menos entre 80 y 600 GeV/c2.

En la búsqueda inicial del LHC en 2011 y 2012 se llegó hasta 7 TeV para la energía en el sistema de centro de masas, esto es 3.5 TeV por cada haz. Cuando se hacen los números para estas energías (dentro del contexto de la Relatividad especial), las velocidades que tenían los protones en cada haz (en las rondas de 2011 y 2012) resultan ser el 99.99959 por ciento de la velocidad de la luz (esta velocidad difiere de la de la luz en un valor fraccional de 4 ·10-6).

Una vez superado este primer reto, y construído un acelerador con el rango adecuado de energía (lo que es más fácil de decir que de hacer :-)), tenemos dos haces de protones acelerados hasta estas energías, mantenidos circulando en el interior de sendos  anillos en el LHC por caminos separados en direcciones opuestas. Los protones no viajan como un haz continuo,  sino formando “paquetes” en cada uno de los cuales hay unos 1011 protones que se mantienen  agrupados en cuidada formación mientras viajan alrededor del anillo cuyo perímetro es de unos 27 km. El tamaño de cada paquete es comparable al de una mina de lapicera, de 1 mm2 de sección y unos 10 cm de longitud, y circulan a velocidades que son solo ligerísimamente menores que la velocidad de la luz en el vacío, cada paquete separado del siguiente por unos 75 ns de tiempo. En total, en un momento dado en el régimen de funcionamiento normal, hay circulando por los anillos unos 2800 de tales paquetes.

En puntos escogidos sobre el anillo, los paquetes se afinan mediante campos magnéticos que adelgazan y focalizan el haz hasta que su sección sea mucho menor, y se desvían ligeramente para hacerlos colisionar con los del haz opuesto, que han sufrido análoga focalización. A pesar de esa técnica, la mayoría de los protones salen indemnes y continúan agrupados en un paquete que sigue su camino en el anillo. Solo una muy pequeña fracción de protones llega a chocar realmente con otro protón del haz opuesto. Una fracción tan pequeña que se puede estimar en unos 10 el número de protones que colisionan realmente en cada choque de dos paquetes. Parece muy poco, pero hay que tener en cuenta que cada 75 ns se produce un choque entre dos paquetes (todos los cuales continuan circulando y volverán a colisionar en la vuelta siguiente), lo que significa que el número absoluto de colisiones es bastante grande, del orden de 200 millones por segundo.

De entre todas estas colisiones, llegamos al segundo reto que no es menor que el primero: la identificación de precisamente aquellas que den lugar a un Higgs, que son solamente una ínfima fracción entre todas las colisiones efectivas, ya que hay otros muchos subproductos posibles de las colisiones entre protones a esas altas energías. No se olvide que a su vez muchas de estas partículas subproducto son inestables, y se desintegrarán a su vez dejando al final solo las partículas estables o casi estables que podremos observar: fotones, electrones, muones, y algunos hadrones.

Alrededor de los puntos de colisión se diseñaron y construyeron dos enormes detectores, el ATLAS (A Toroidal LHC AparatuS) y el CMS (Compact Muon Solenoid), que funcionan con técnicas diferentes al nivel de detalle, aunque su finalidad general es la misma: poder registrar, con una altísima precisión espacial y energética, los productos de las colisiones que ocurren en sus centros. Bastan un par de fotos de estos detectores para hacerse una idea de su naturaleza mastodóntica. CMS, el más pequeño, mide 15 m de altura y 21 de longitud, y ATLAS es aún mayor (en las dos fotos hay humanos que pueden servir para hacerse idea rápida de la escala).

Atlas en una fase temprana de su ensamblaje en su ubicación definitiva

ATLAS en una fase temprana de su ensamblaje en su ubicación definitiva

CMS abierto para mantenimiento

CMS abierto para mantenimiento

Conviene describir, siquiera brevemente, cómo funcionan estos detectores. Ambos están diseñados con técnicas diferentes, pero funcionan sobre la “metáfora de la cebolla”: diferentes capas registran las trayectorias y las energías de las partículas originadas en las colisiones –que ocurren en el centro del detector– con una precisión impresionante. Estas capas están situadas por motivos prácticos coaxialmente formando cilindros y no “concéntricas” según esferas como en la cebolla, y las partículas que se originan en el centro atraviesan literalmente las capas, dejando diferentes rastros.  En todo el volumen del detector hay intensos y extensos campos magnéticos (del orden de varios Tesla sobre regiones de extensiones espaciales del orden de 20m), que curvan las trayectorias de las partículas cargadas, permitiendo identificarlas y proporcionando además información sobre su momento. Con todos estos datos, adecuadamente registrados y procesados, se puede identificar cada partícula por sus trazas: pueden ser fotones, electrones, hadrones o muones, aparte de posiblemente neutrinos, que no se detectan directamente. Es imprescindible por ello que la detección de las partículas que sí se registran  no tenga ángulos muertos.

Atlas Esquema

Esquema del detector ATLAS
Esquema del detector CMS

Esquema del detector CMS

El siguiente diagrama esquematiza las diferentes capas del CMS e ilustra su funcionamiento; el de ATLAS es esencialmente semejante. Rodeando inmediatamente los puntos de colisión están los rastreadores, que permiten reconstruir las trayectorias iniciales de los productos de la colisión. Las dos capas siguientes son los calorímetros, electromagnético y de hadrones, cuya finalidad es detener a los fotones, electrones y hadrones cargados o neutros, registrando la energía cedida (que es la energía que tenían inicialmente). La capa externa son las cámaras de muones, que registran los muones que previamente habrán atravesado las capas interiores sin interaccionar demasiado en ellas, y que son más difíciles de registrar.

Diagrama del funcionamiento del detector CMS

El ritmo a que se producen las colisiones, unos 200 millones de colisiones por segundo, supera por bastantes ordenes de magnitud a cualquier capacidad de registro imaginable. Que haya tantas colisiones es sin embargo necesario, pues las que podrían producir un bosón de Higgs son una fracción muy pequeña de ellas. De manera que el impresionante reto es identificar estas últimas y registrar solamente los datos correspondientes, que serán los datos relevantes. Y esto es un reto colosal pues la identificación de las colisiones relevantes ha de hacerse sobre la marcha.

De hecho, la lógica del diseño funciona realmente al revés: el ritmo máximo al que el sistema de registro puede almacenar los datos de las colisiones relevantes es el que dicta el número de protones en cada paquete y la separación entre paquetes, que a su vez determina el ritmo al que se producen colisiones,  de las que solo una mínima fracción acabarán produciendo un bosón de Higgs.

Para superar este segundo reto se ha puesto a punto un impresionante sistema automático de detección de las colisiones potencialmente prometedoras, que dispara el registro sobre la marcha (triggering). En el libro Odisea en el zeptoespacio puede encontrarse información detallada sobre el ingenioso método diseñado para lograr algo que parece imposible a primera –y a segunda– vista.

Una vez registrados los datos, se inicia la etapa de análisis: hay que estudiarlos, lo que también aquí implica una impresionante cantidad de controles y comprobaciones. Y, naturalmente, la seguridad que se puede tener en un tal descubrimiento es básicamente estadística. Una observación aislada se considera insuficiente por completo: podría ser debida a alguna fluctuación o a alguna coincidencia circunstancial, pues muchos de los otros subproductos que inevitablemente se generan en las colisiones podrían en algunos casos producir señales muy análogas a las que se esperan que produzca el Higgs.

Esto significa que en la observación hay un nivel de ruido considerable, que necesariamente hay que tener en cuenta. Y solo si se observan el suficiente número de sucesos independientes de producción de un bosón de Higgs para que la probabilidad de que se trate de coincidencias circunstanciales sea realmente despreciable podremos comenzar a decir que se ha observado el Higgs.

En el lenguaje técnico, esto se traduce en la significancia del resultado, una cantidad que está asociada a la probabilidad de que un resultado observado sea consecuencia de una fluctuación estadística accidental y no de que provenga del efecto buscado. Aquí y aquí hay explicaciones básicas sobre este asunto –que realmente está lleno de sutilezas en las que no me entretengo pero de las que conviene al menos saber que existen–.  En la física de partículas se considera como el mínimo para hablar de descubrimiento confirmado un nivel de significancia estadística de 5 sigmas, lo que corresponde a que la probabilidad de que el resultado no sea “real” sino que sea consecuencia de una fluctuación estadística “accidental” es de menos de 1 en un millón.

La observación se hace en los dos  detectores, ATLAS y CMS, que registran y analizan datos de manera independiente con el objetivo de minimizar los muchos sesgos que pueden darse en incluso en protocolos aparentemente libres de ellos.

El análisis de los datos se realiza de forma ciega, una técnica que habitualmente asociamos a las pruebas farmacológicas, en donde hay experimentador y paciente, pero que con variantes se emplea también en física de partículas donde no hay pacientes: los datos no se examinan hasta que los criterios de análisis hayan sido completamente evaluados y aprobados. Y con el paso del tiempo se reexaminan agrupándoles con otros datos o con más datos nuevos y con nuevos protocolos que idealmente van eliminando sesgos que hubieran escapado los anteriores análisis.

La eliminación de otros sesgos (incluyendo el más primitivo de los sesgos de experimentador, la tendencia a dar peso a los datos que confirmen lo que se quiere ver y a ignorar aquellos datos que lo invaliden, que es un peligro siempre acechante en cualquier observación) se evita con elaboradas técnicas, como la de señal oculta que incluyen enmascarar los datos que se analizan, manteniendo al analista en la ignorancia de los detalles y desenmascarándolos solamente al final del proceso (ver una descripción algo más detallada de esta técnica en este excelente post). Poco que ver aquí con los trapicheos varios que son moneda común en otros aspectos de la vida.

Tras algo más de un año de funcionamiento, el 4 de julio de 2012 se anunció el descubrimiento de una nueva partícula compatible con el bosón de Higgs, con una masa de unos 125GeV/c2.

La sala de conferencias del CERN durante el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, 4 de julio de 2012

La sala de conferencias del CERN durante el anuncio del descubrimiento del bosón de Higgs, 4 de julio de 2012

La sequedad y concisión del lenguaje científico usado en el anuncio oficial no debe hacer perder de vista la impresionante cantidad y calidad de ciencia básica, tecnología, ingeniería, diseño de experimentación y control exhaustivo sobre los procedimientos de medición, registro y análisis que hay detrás de este anuncio.

Hoy, pasado ya más de un año del anuncio inicial, se han añadido algunas evidencias adicionales. Por ejemplo, ahora se sabe con certeza que el espín de la partícula observada es 0, conforme la teoría predice: el bosón de Higgs se distingue también de las restantes partículas elementales por este caracter escalar. Se ha observado el Higgs en varios de los canales de desintegración previstos, no solo en la más limpia desintegración en dos fotones. En resumen hay muy poca duda de que se ha observado el bosón de Higgs, validando la existencia del campo de Higgs y del mecanismo BEH.

Pero, tan solo un año tras su descubrimiento, en lo que es el estudio y el conocimiento detallado de la física del Higgs, casi todo está por hacer. De hecho, ahora mismo, es mucho más larga la lista de preguntas sobre el Higgs que la de sus propiedades conocidas. A algunas de estas preguntas dedicaré un post en algún momento.

Este post, “Del átomo al Higgs XIII: Búsqueda y hallazgo del bosón de Higgs” forma parte de una serie. Este enlace lleva al post sucesivo. Si quiere saltar directamente a otro post de la serie, puede usar los enlaces directos a cada entrada.

O Átomos y vacío: donde Demócrito conoce a Higgs
I Los átomos de la materia ordinaria
II Cuantificación y la estabilidad del Átomo
III Espín, Bosones y Fermiones
IV La electrodinámica cuántica y los primeros ejemplos de la teoría cuántica de campos
V El nacimiento de la idea de las cuatro interacciones fundamentales
VI El Zoo de partículas y los primeros intentos de describir las interacciones fuerte y débil
Interludio: Los Nobel en la historia del átomo al Higgs
VII Dificultades iniciales de las teorías gauge entre 1954 y 1961
VIII Los quarks, desde su propuesta hasta su “descubrimiento” (1961 a 1974)
IX El campo de Higgs y el mecanismo de Brout-Englert-Higgs
X La libertad asintótica y la Cromodinámica Cuántica
Interludio: ¿Pero qué hay realmente en un protón?
Interludio. Calculando la masa del protón
XI El actual modelo estandar a vista de pájaro
XII 1898-1995, un siglo descubriendo partículas …
XIII Búsqueda y hallazgo del bosón de Higgs
Del átomo al Higgs: Para saber más
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