La búsqueda del bosón de Higgs fue un esfuerzo de 40 años por parte de los físicos para demostrar la existencia o no existencia del bosón de Higgs , teorizado por primera vez en la década de 1960. El bosón de Higgs fue la última partícula fundamental no observada en el Modelo Estándar de física de partículas , y su descubrimiento fue descrito como la "verificación definitiva" del Modelo Estándar. [1] En marzo de 2013, se confirmó oficialmente la existencia del bosón de Higgs. [2]
Esta respuesta confirmada demostró la existencia del hipotético campo de Higgs , un campo de inmensa importancia que se supone que es la fuente de la ruptura de la simetría electrodébil y el medio por el cual las partículas elementales adquieren masa . [Nota 1] La ruptura de la simetría se considera probada, pero confirmar exactamente cómo ocurre esto en la naturaleza es una importante pregunta sin respuesta en física . La prueba del campo de Higgs (mediante la observación de la partícula asociada) valida la parte final no confirmada del Modelo Estándar como esencialmente correcta, evitando la necesidad de fuentes alternativas para el mecanismo de Higgs . Es probable que la evidencia de sus propiedades afecte en gran medida la comprensión humana del universo y abra una "nueva" física más allá de las teorías actuales. [4]
A pesar de su importancia, la búsqueda y la prueba fueron extremadamente difíciles y tomaron décadas, porque la producción directa, la detección y la verificación del bosón de Higgs en la escala necesaria para confirmar el descubrimiento y conocer sus propiedades requirió un proyecto experimental muy grande y enormes recursos informáticos. Por esta razón, la mayoría de los experimentos hasta alrededor de 2011 tenían como objetivo excluir rangos de masas que el Higgs no podía tener. Al final la búsqueda condujo a la construcción del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Ginebra, Suiza , el acelerador de partículas más grande del mundo, diseñado especialmente para esta y otras pruebas de alta energía del Modelo Estándar.
El bosón de Higgs, a veces llamado partícula de Higgs, [5] [6] es una partícula elemental en el modelo estándar de física de partículas producida por la excitación cuántica del campo de Higgs, [7] [8] uno de los campos de la física de partículas. teoría. [8] En el modelo estándar, la partícula de Higgs es un bosón escalar masivo con espín cero , paridad par (positiva) , sin carga eléctrica y sin carga de color , que se acopla (interactúa con) masa. También es muy inestable y se descompone en otras partículas casi de inmediato.
Al igual que otras partículas masivas (por ejemplo, el quark top y los bosones W y Z ), los bosones de Higgs se desintegran en otras partículas casi inmediatamente, mucho antes de que puedan observarse directamente. Sin embargo, el modelo estándar predice con precisión los posibles modos de descomposición y sus probabilidades. Esto permite demostrar la creación y desintegración de un bosón de Higgs mediante un examen cuidadoso de los productos de desintegración de las colisiones.
Por lo tanto, aunque los enfoques para probar el bosón de Higgs se estudiaron en las primeras investigaciones de la década de 1960, cuando se propuso la partícula, las búsquedas experimentales a gran escala no comenzaron hasta la década de 1980, con la apertura de aceleradores de partículas lo suficientemente potentes como para proporcionar evidencia relacionada con el bosón de Higgs. .
Dado que el bosón de Higgs, si existiera, podría tener cualquier masa en un rango muy amplio, finalmente se necesitaron una serie de instalaciones muy avanzadas para la búsqueda. Estos incluían detectores y aceleradores de partículas muy potentes (para crear bosones de Higgs y detectar su desintegración, si es posible), y el procesamiento y análisis de grandes cantidades de datos, [9] que requerían instalaciones informáticas muy grandes en todo el mundo. Por ejemplo, se analizaron más de 300 billones (3 x 10 14 ) de colisiones protón-protón en el LHC para confirmar el descubrimiento de la partícula en julio de 2012, [9] lo que requirió la construcción de la llamada red informática del LHC , la red informática más grande del mundo (como de 2012) que comprende más de 170 instalaciones informáticas en 36 países. [9] [10] [11] Las técnicas experimentales incluyeron el examen de una amplia gama de masas posibles (a menudo citadas en GeV) para reducir gradualmente el área de búsqueda y descartar posibles masas donde el Higgs era poco probable, análisis estadístico y operación de múltiples experimentos y equipos para ver si los resultados de todos estaban de acuerdo.
A principios de la década de 1970 había sólo unas pocas limitaciones a la existencia del bosón de Higgs. Los límites que sí existieron provinieron de la ausencia de observación de los efectos relacionados con Higgs en la física nuclear , las estrellas de neutrones y los experimentos de dispersión de neutrones . Esto llevó a la conclusión de que el Higgs, si existiera, era más pesado que18,3 MeV / c2 . [1]
A mediados de la década de 1970 se publicaron los primeros estudios que exploraban cómo el bosón de Higgs podría manifestarse en experimentos de colisión de partículas. [12] Sin embargo, las perspectivas de encontrar la partícula no eran muy buenas; Los autores de uno de los primeros artículos sobre la fenomenología de Higgs advirtieron:
Quizás deberíamos terminar nuestro artículo con una disculpa y una advertencia. Pedimos disculpas a los experimentadores por no tener idea de cuál es la masa del bosón de Higgs,..., y por no estar seguros de sus acoplamientos con otras partículas, excepto que probablemente todas sean muy pequeñas. Por estas razones, no queremos fomentar grandes búsquedas experimentales del bosón de Higgs, pero creemos que las personas que realizan experimentos vulnerables al bosón de Higgs deberían saber cómo puede aparecer.
Uno de los problemas fue que en ese momento casi no había pistas sobre la masa del bosón de Higgs. Las consideraciones teóricas dejaron abierto un rango muy amplio entre10 GeV/ c2 [ 13] y1000 GeV/ c 2 [14] sin indicación real de dónde buscar. [1]
En los primeros estudios de planificación del Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) del CERN, el bosón de Higgs no jugó ningún papel. De hecho, no parece ser mencionado en ninguno de los informes hasta 1979. [15] El primer estudio detallado que examina las posibilidades de descubrir el bosón de Higgs en LEP apareció en 1986. [16] A partir de entonces, la búsqueda del bosón de Higgs se convirtió en firmemente establecido dentro del programa LEP. [1]
Como su nombre lo indica, el Gran Colisionador de Electrones y Positrones chocó electrones con positrones. Las tres formas más importantes en las que tal colisión podría conducir a la producción de un bosón de Higgs fueron: [1]
El hecho de que no se observaran desintegraciones del bosón Z en Higgs en LEP implica inmediatamente que el bosón de Higgs, si existiera, debe ser más pesado que el bosón Z (~91 GeV/ c2 ) . Posteriormente, con cada mejora energética sucesiva del LEP, resurgió la esperanza de que el descubrimiento del Higgs estaba a la vuelta de la esquina. [1] Justo antes del cierre planificado de LEP en 2000, se produjeron pocos eventos que se asemejan a un bosón de Higgs con una masa de ~Se observaron 115 GeV/ c 2 . Esto llevó a una extensión de la ejecución final de la LEP por unos meses. [17] Pero al final los datos no fueron concluyentes e insuficientes para justificar otro experimento después de las vacaciones de invierno y se tomó la difícil decisión de cerrar y desmantelar LEP para dejar espacio para el nuevo Gran Colisionador de Hadrones en noviembre de 2000. Los resultados no concluyentes de La búsqueda directa del bosón de Higgs en LEP resultó en un límite inferior final de la masa de Higgs.114,4 GeV/ c 2 con un nivel de confianza del 95 % . [18]
Paralelamente al programa de búsqueda directa, LEP realizó mediciones de precisión de muchos observables de las interacciones débiles. Estos observables son sensibles al valor de la masa de Higgs a través de contribuciones de procesos que contienen bucles de bosones de Higgs virtuales . Esto permitió por primera vez una estimación directa de la masa de Higgs de aproximadamente100 ± 30 GeV / c2 . [1] Sin embargo, esta estimación está sujeta a la condición de que el Modelo Estándar sea todo lo que existe, y que no entre en juego ninguna física más allá del Modelo Estándar en estos niveles de energía. Nuevos efectos físicos podrían alterar sustancialmente esta estimación. [19]
La planificación de un nuevo y potente colisionador para explorar nueva física en la escala >1 TeV ya había comenzado en 1983. [20] El supercolisionador superconductor debía acelerar protones en un túnel subterráneo.Túnel circular de 87,1 km en las afueras de Dallas, Texas, con energías de20 TeV cada uno. Uno de los principales objetivos de este megaproyecto era encontrar el bosón de Higgs. [1] [21]
Como preparación para esta máquina, se realizaron extensos estudios fenomenológicos para la producción de bosones de Higgs en colisionadores de hadrones. [22] La gran desventaja de los colisionadores de hadrones para la búsqueda del Higgs es que colisionan partículas compuestas y, como consecuencia, producen muchos más eventos de fondo y proporcionan menos información sobre el estado inicial de la colisión. Por otro lado, proporcionan una energía de centro de masa mucho mayor que los colisionadores de leptones (como el LEP) de un nivel tecnológico similar. Sin embargo, los colisionadores de hadrones también ofrecen otra forma de producir un bosón de Higgs mediante la colisión de dos gluones mediada por un triángulo de quarks pesados ( superiores o inferiores ). [1]
Sin embargo, el proyecto Superconducting Super Collider estuvo plagado de problemas presupuestarios, y en 1993 el Congreso decidió cancelar el proyecto, a pesar de que ya se habían gastado 2 mil millones de dólares. [1]
El 1 de marzo de 2001, el colisionador Tevatron Proton- antiproton (p p ) en Fermilab, cerca de Chicago, comenzó su carrera 2. Después de la carrera 1 (1992-1996), en la que el colisionador descubrió el quark superior, Tevatron se había cerrado para realizar mejoras significativas. centrado en mejorar el potencial para encontrar el bosón de Higgs; las energías de los protones y antiprotones aumentaron hasta0,98 TeV , y el número de colisiones por segundo aumentó en un orden de magnitud (con más aumentos planeados a medida que continuara la ejecución). Incluso con las actualizaciones, no se garantizaba que Tevatron encontrara el Higgs. Si el Higgs fuera demasiado pesado (>180 GeV ), entonces las colisiones no tendrían suficiente energía para producir un bosón de Higgs. Si fuera demasiado claro (<140 GeV ), entonces el Higgs se desintegraría predominantemente en pares de quarks inferiores, una señal que se vería inundada por eventos de fondo, y el Tevatrón no produciría suficientes colisiones para filtrar las estadísticas. Sin embargo, el Tevatron era en aquel momento el único colisionador de partículas operativo que era lo suficientemente potente como para poder buscar la partícula de Higgs. [23]
Se planeó que la operación continuara hasta que el Tevatron ya no pudiera seguir el ritmo del Gran Colisionador de Hadrones. [23] Este punto se alcanzó el 30 de septiembre de 2011, cuando se cerró el Tevatron. [24] En sus análisis finales, las colaboraciones de los dos detectores de Tevatron ( CDF y DØ ) informan que basándose en sus datos pueden excluir la posibilidad de un bosón de Higgs con una masa entre100 GeV/ c 2 y103 GeV/ c 2 y entre147 GeV/ c 2 y180 GeV/ c 2 con un nivel de confianza del 95%. Además, encontraron un exceso de eventos que podrían provenir de un bosón de Higgs en el rango 115–140 GeV / c2 . Sin embargo, la importancia de las estadísticas se considera demasiado baja para basar conclusiones. [25]
El 22 de diciembre de 2011, la colaboración DØ también informó limitaciones en el bosón de Higgs dentro del Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo, una extensión del Modelo Estándar. Las colisiones protón- antiprotón (p p ) con una energía de centro de masa de 1,96 TeV les habían permitido establecer un límite superior para la producción del bosón de Higgs dentro del MSSM que oscilaba entre 90 y 300 GeV, y excluyendo tan β > 20-30 para masas. del bosón de Higgs por debajo de 180 GeV ( tan β es la relación de los dos valores esperados de vacío del doblete de Higgs). [26]
El funcionamiento completo del LHC se retrasó 14 meses desde sus pruebas iniciales exitosas, el 10 de septiembre de 2008, hasta mediados de noviembre de 2009, [27] [28] luego de un evento de extinción de imanes nueve días después de sus pruebas inaugurales que dañó más de 50 imanes superconductores. y contaminó el sistema de vacío. [29] El apagado se debió a una conexión eléctrica defectuosa y las reparaciones tomaron varios meses; [30] [31] También se actualizaron los sistemas de detección de fallas eléctricas y manejo rápido de enfriamiento.
La recopilación y el análisis de datos en busca del Higgs se intensificaron a partir del 30 de marzo de 2010, cuando el LHC comenzó a funcionar a 7 Tev (2 x 3,5 TeV) . [32] Los resultados preliminares de los experimentos ATLAS y CMS en el LHC en julio de 2011 excluyeron un bosón de Higgs modelo estándar en el rango de masas 155-190 GeV/ c 2 [33] y 149-206 GeV/ c 2 , [34] respectivamente, al 95% CL. Todos los intervalos de confianza anteriores se obtuvieron utilizando el método CL .
En diciembre de 2011, la búsqueda se había reducido a la región aproximada de 115 a 130 GeV, con un enfoque específico alrededor de 125 GeV, donde tanto los experimentos ATLAS como CMS habían informado de forma independiente un exceso de eventos, [35] [36], lo que significa que un En este rango de energía se detectó un número mayor de lo esperado de patrones de partículas compatibles con la desintegración del bosón de Higgs. Los datos eran insuficientes para mostrar si estos excesos se debían o no a fluctuaciones de fondo (es decir, azar u otras causas), y su importancia estadística no era lo suficientemente grande como para sacar conclusiones todavía o incluso formalmente para contar como una "observación", pero la El hecho de que dos experimentos independientes hubieran mostrado excesos en aproximadamente la misma masa generó un considerable entusiasmo en la comunidad de la física de partículas. [37]
Por lo tanto, a finales de diciembre de 2011, se esperaba ampliamente que el LHC proporcionaría datos suficientes para excluir o confirmar la existencia del bosón de Higgs del modelo estándar para finales de 2012, cuando se publicaran sus datos de colisión de 2012 (a energías de 8 TeV). había sido examinado. [38]
Las actualizaciones de los dos equipos del LHC continuaron durante la primera parte de 2012, y los datos provisionales de diciembre de 2011 se confirmaron y desarrollaron en gran medida. [39] [40] También hubo actualizaciones disponibles del equipo que analizó los datos finales del Tevatron. [41] Todos estos continuaron destacando y reduciendo la región de 125 GeV como muestra de características interesantes.
El 2 de julio de 2012, la colaboración ATLAS publicó análisis adicionales de sus datos de 2011, excluyendo rangos de masa de bosones de 111,4 GeV a 116,6 GeV, 119,4 GeV a 122,1 GeV y 129,2 GeV a 541 GeV. Observaron un exceso de eventos correspondientes a las hipótesis de masa del bosón de Higgs en torno a 126 GeV con un significado local de 2,9 sigma . [42] En la misma fecha, las colaboraciones DØ y CDF anunciaron análisis adicionales que aumentaron su confianza. La importancia de los excesos en energías entre 115 y 140 GeV se cuantificó ahora como 2,9 desviaciones estándar , lo que corresponde a una probabilidad de 1 entre 550 de que se deban a una fluctuación estadística. Sin embargo, esto aún no alcanzaba el nivel de confianza 5 sigma, por lo que los resultados de los experimentos del LHC eran necesarios para establecer un descubrimiento. Excluyeron los rangos de masa del Higgs entre 100-103 y 147-180 GeV. [43] [44]
El 22 de junio de 2012, el CERN anunció un próximo seminario que cubriría los resultados provisionales para 2012, [47] [48] y poco después comenzaron a difundirse rumores en los medios de que esto incluiría un anuncio importante, pero no estaba claro si esto sería una señal más fuerte. o un descubrimiento formal. [49] [50] La especulación aumentó a un punto "febril" cuando surgieron informes de que Peter Higgs , quien propuso la partícula, asistiría al seminario. [51] [52] El 4 de julio de 2012, CMS anunció el descubrimiento de un bosón previamente desconocido con una masa de 125,3 ± 0,6 GeV/ c 2 [45] [46] y ATLAS de un bosón con una masa de 126,5 GeV/ c 2 . [53] [54] Utilizando el análisis combinado de dos modos de desintegración (conocidos como 'canales'), ambos experimentos alcanzaron una significación local de 5 sigma, o menos de una probabilidad de 1 entre un millón de que una fluctuación estadística sea tan fuerte. Cuando se tuvieron en cuenta canales adicionales, la significancia CMS fue de 4,9 sigma. [45]
Los dos equipos habían estado trabajando de forma independiente, lo que significa que no discutieron sus resultados entre sí, lo que proporcionó una certeza adicional de que cualquier hallazgo común era una validación genuina de una partícula. [9] Este nivel de evidencia, confirmado de forma independiente por dos equipos y experimentos separados, cumple con el nivel formal de prueba requerido para anunciar el descubrimiento confirmado de una nueva partícula. El CERN ha sido cauteloso y sólo ha afirmado que la nueva partícula es "consistente con" el bosón de Higgs, pero los científicos no la han identificado positivamente como el bosón de Higgs, a la espera de una mayor recopilación y análisis de datos. [55]
El 31 de julio, la colaboración ATLAS presentó más análisis de datos, incluido un tercer canal. [56] Mejoraron el significado a 5,9 sigma y lo describieron como una "observación de una nueva partícula" con una masa de 126 ± 0,4 (stat.) ± 0,4 (sys) GeV/ c 2 . Además, CMS mejoró la importancia a 5 sigma con la masa del bosón en 125,3 ± 0,4 (stat) ± 0,5 (sys) GeV/ c 2 . [57]
El 14 de marzo de 2013, el CERN confirmó que:
En 2012, las observaciones se consideraron consistentes con que la partícula observada era el bosón de Higgs del modelo estándar. La partícula se desintegra en al menos algunos de los canales previstos. Además, las tasas de producción y los índices de ramificación de los canales observados coinciden con las predicciones del modelo estándar dentro de las incertidumbres experimentales. Sin embargo, las incertidumbres experimentales aún dejaban espacio para explicaciones alternativas. Por lo tanto, se consideró demasiado pronto para concluir que la partícula encontrada era efectivamente el bosón de Higgs del modelo estándar. [58]
Una mayor confirmación requería datos más precisos sobre algunas de las características de la nueva partícula, incluidos sus otros canales de desintegración y varios números cuánticos, como su paridad. Para permitir una mayor recopilación de datos, la colisión protón-protón del LHC se extendió siete semanas, posponiendo el largo cierre planeado para actualizaciones en 2013. [59]
En noviembre de 2012, en una conferencia celebrada en Tokio, los investigadores dijeron que la evidencia recopilada desde julio se estaba alineando más con el Modelo Estándar básico que con sus alternativas, con una variedad de resultados para varias interacciones que coincidían con las predicciones de esa teoría. [60] El físico Matt Strassler destacó evidencia "considerable" de que la nueva partícula no es una partícula pseudoescalar de paridad negativa (un hallazgo requerido para un bosón de Higgs), "evaporación" o falta de mayor importancia para indicios previos de hallazgos no estándar. interacciones esperadas del Modelo Estándar con los bosones W y Z, ausencia de "nuevas implicaciones significativas" a favor o en contra de la supersimetría y, en general, no hay desviaciones significativas hasta la fecha de los resultados esperados de un bosón de Higgs del Modelo Estándar. [61] Sin embargo, algunos tipos de extensiones del modelo estándar también mostrarían resultados muy similares; [62] basándose en otras partículas que todavía se están comprendiendo mucho después de su descubrimiento, podrían pasar muchos años para saberlo con certeza y décadas para comprender la partícula que se ha encontrado. [60] [61]
A finales de 2012, Time , [63] Forbes , [64] Slate , [65] NPR , [66] y otros [67] anunciaron incorrectamente que se había confirmado la existencia del bosón de Higgs. Numerosas declaraciones de los descubridores del CERN y de otros expertos desde julio de 2012 habían reiterado que se había descubierto una partícula pero aún no se había confirmado que fuera un bosón de Higgs. No fue hasta marzo de 2013 que se anunció oficialmente. [68] A esto le siguió la realización de un documental sobre la caza. [69]
En 2012, el criterio "5-sigma" exigido por los científicos del LHC y su interpretación frecuentista de la probabilidad, despertó el interés de algunos estadísticos, especialmente los bayesianos : "cinco desviaciones estándar, suponiendo normalidad, significan un valor p de alrededor de 0,0000005 [...] ¿Está la comunidad de física de partículas completamente comprometida con el análisis frecuentista? [82] Sin embargo, como la investigación en el LHC ya estaba demasiado avanzada, la discusión no pareció haber conducido a un nuevo análisis bayesiano de los datos.
[P] ¿Por qué los físicos de partículas se preocupan tanto por la partícula de Higgs?
[R] Bueno, en realidad no es así. Lo que realmente les importa es el
campo
de Higgs , porque es
muy
importante. [énfasis en el original]
{{cite arXiv}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite arXiv}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)Rolf Heuer, director del CERN, dijo que confía en que "hacia mediados de año estaremos allí".
– Entrevista realizada por AP, en el Foro Económico Mundial, 26 de enero de 2013.
{{cite arXiv}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)