El decaimiento del bosón de Higgs en componentes de la materia

El decaimiento directo del bosón de Higgs en fermiones –que corrobora la hipótesis de que es el generador de la masa de las partículas constituyentes de la materia– se ha comprobado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el gigantesco complejo experimental de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern) ubicado en la frontera de Suiza con Francia.

El anuncio del descubrimiento, a cargo del grupo de científicos ligados al detector Solenoide Compacto de Muones (CMS, por sus siglas en inglés), se publicó en la revista Nature Physics, en linea, el 22 de junio de 2014.

“En el experimento se midieron por primera vez los decaimientos del bosón de Higgs en quarks bottom y leptones tau. Y se mostró que son consistentes con la hipótesis que indica que la masa de esas partículas también se generan mediante el mecanismo de Higgs”, declaró el físico Sérgio Novaes, docente de la Universidade Estadual Paulista (Unesp) a Agência FAPESP.

Novaes es líder del grupo de la universidad paulista en el experimento CMS e investigador principal del Proyecto Temático intitulado “Centro de Investigación y Análisis de São Paulo” (Sprace), que está integrado al CMS y cuenta con el apoyo de la FAPESP.

El equipo internacional del CMS, está compuesto por alrededor de 4.300 integrantes (entre físicos, ingenieros, técnicos, estudiantes y personal administrativo), forman parte dos grupos de científicos brasileños: uno con sede en el Núcleo de Computación Científica (NCC) de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en São Paulo, y otro en el Centro Brasileño de Investigaciones Físicas del Ministerio de Ciencia, Tecnología e innovación (MCTI) y en la Universidad del Estado de Río de Janeiro (Uerj), en Río de Janeiro.

El nuevo resultado reforzó la convicción de que el objeto cuyo descubrimiento se anunció oficialmente el 4 de julio de 2012 es realmente el bosón de Higgs, la partícula que le confiere masa a las demás partículas, de acuerdo con el Modelo Estándar, el cuerpo teórico que describe a los componentes y a las interacciones presuntamente fundamentales del mundo material.

“Desde el anuncio oficial del descubrimiento del bosón de Higgs se han recabado muchas evidencias que muestran que la partícula correspondía a las predicciones del Modelo Estándar. Fueron fundamentalmente estudios relativos a su decaimiento en otros bosones (las partículas responsables de las interacciones de la materia), como los fotones (los bosones de la interacción electromagnética) y el W y el Z (bosones de la interacción débil)”, dijo Novaes.

“Sin embargo, aun admitiendo que el bosón de Higgs fuese responsable de la generación de las masas del W y del Z, no era obvio que generase también las masas de los fermiones (las partículas que constituyen la materia, como los quarks, que componen los protones y los neutrones; y los leptones, como el electrón y otros), pues el mecanismo es un tanto distinto, e involucra al llamado ‘acoplamiento de Yukawa’ entre esas partículas y el campo de Higgs”, prosiguió.

Los científicos buscaban una evidencia directa de que el decaimiento del bosón de Higgs en esos campos de materia obedecería a la receta del Modelo Estándar. Pero ésa no era una tarea sencilla, pues precisamente debido a que confiere masa, el Higgs presenta la tendencia a decaer en las partículas más masivas, tales como los bosones W y Z, por ejemplo, que poseen masas entre 80 y 90 veces superiores a la del protón, respectivamente.

“Asimismo, existían otros factores de complicación. En el caso particular del quark bottom, por ejemplo, un par bottom-antibottom puede producirse de muchas otras maneras, más allá del decaimiento del Higgs. Se hacía entonces necesario filtrar todas esas otras posibilidades. Y en el caso del leptón tau, la probabilidad de decaimiento del Higgs en él es sumamente pequeña”, comentó Novaes.

“Para hacerse una idea, por cada billón de colisiones realizadas en el LHC, existe un evento con bosón de Higgs. De estos, menos del 10% corresponden al decaimiento del Higgs en un par de taus. Aparte, el par de taus también puede producirse de otros modos: a partir de un fotón, y con una frecuencia mucho mayor, por ejemplo”, dijo.

Para comprobar con seguridad el decaimiento del bosón de Higgs en el quark bottom y en el leptón tau, el equipo del CMS debió recolectar y procesar una cantidad descomunal de datos. “Por eso nuestro artículo en Nature tardó tanto tiempo para salir. Fue literalmente más difícil que procurar una aguja en un pajar”, afirmó Novaes.

Pero lo interesante, según el investigador, fue que aun en esos casos, en que se consideraba que el Higgs podría huir de la receta del Modelo Estándar, esto no sucedió. Los experimentos fueron sumamente coherentes con las predicciones teóricas.

“Resulta siempre sorprendente verificar la concordancia entre el experimento y la teoría. Durante años, el bosón de Higgs había sido considerado un mero artificio matemático, destinado a dotar de coherencia interna al Modelo Estándar. Muchos físicos apostaban a que jamás se lo descubriría. Se buscó esa partícula durante casi medio siglo y terminó siendo admitida debido a la falta de una propuesta alternativa capaz de responder por todas las predicciones con el mismo margen de acierto. Por eso los resultados que estamos obteniendo ahora en el LHC son realmente espectaculares. Uno suele sorprenderse cuando la ciencia fracasa. Pero el verdadero asombro surge cuando sale bien”, dijo Novaes.

“En 2015, el LHC funcionará con el doble de energía. Se espera llegar a los 14 teraelectrón voltios (TeV) (14 billones de electrón voltios). En ese nivel de energía, los haces de protones serán acelerados a más del 99,99% de la velocidad de la luz. Resulta fascinante imaginar qué podremos descubrir”, afirmó.

Puede leerse el artículo Evidence for the direct decay of the 125 GeV Higgs boson to fermions (doi:10.1038/nphys3005), de la colaboración, en: http://nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3005.html.