Esta semana se cumple la primera década de uno los descubrimientos más importantes de la historia reciente de la física. Se trata del hallazgo, por parte de científicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en francés) del bosón de Higgs, conocido popularmente como ‘la partícula de Dios’.
Esta partícula fundamental, bautizada en honor al científico británico Peter Higgs (quien propuso su existencia en la década de los sesenta), fue descubierta gracias a los experimentos Aparato Toroidal (Atlas) y Solenoide Compacto de Muones (CMS, en inglés), en 2012, y su aporte a la física ha sido tal que le valió el Nobel de física a sus proponentes.
Bernardo Gómez, profesor del Departamento de Física de la Universidad de los Andes, explica el bosón de Higgs de la siguiente manera: “Imaginemos todas las partículas elementales constituyentes de la materia, los quarks y los leptones; ninguna de ellas tiene masa. Pero existe el campo de Higgs, que permea todo el universo y da masa a las partículas. Estando en el campo de Higgs, las partículas reciben energía de él, y a esta energía la llamamos ‘masa’. Esto lo sabemos porque el campo de Higgs se excita, y su excitación se manifiesta como una partícula con masa, el bosón de Higgs. Su masa proviene del mismo campo. Observar el Bosón de Higgs, detectarlo midiendo su masa, demuestra que el campo de Higgs existe”.
De acuerdo con Gómez, este fue el éxito de los experimentos CMS y Atlas del CERN, “logro construido sobre el desarrollo científico de más de 20 años de esfuerzos en los laboratorios con los aceleradores de partículas de más altas energías”.
“Así, en memorable presentación mundial, CMS y Atlas impactaron al mundo de la ciencia el 4 de julio de 2012, cuando presentaron, cada experimento por aparte, sus datos, eventos de producción del bosón de Higgs, con estadística suficiente como prueba contundente de la observación de la partícula buscada. Ambos experimentos detectaron el bosón de Higgs con una masa muy cercana a 125 GeV (125 billones de electrón voltios), esto es 133 veces más pesado que el protón”, explica el físico.
Por su parte, Carlos Ávila, profesor del mismo departamento en la Universidad de los Andes, y actualmente adelantando estudios en el CERN, considera que el principal impacto del descubrimiento del bosón de Higgs está en la verificación del modelo estándar de partículas, un modelo matemático, basado en teoría cuántica de campos, para explicar cómo funcionan tres de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza (interacción electromagnética, interacción débil e interacción nuclear).
“Es impresionante ver que una predicción teórica hecha en 1964, basada en la interacción de partículas con un campo hipotético (el campo de Higgs) es verificada experimentalmente 48 años después, con suficiente significancia estadística que no deja lugar a dudas de su existencia. El cuanto mínimo de dicho campo es lo que se descubrió: el bosón de Higgs. Es la interacción con el campo de Higgs la que le da masa a las partículas elementales y no hay ya que buscar otro mecanismo. Una determinada partícula tiene mayor masa que otras porque tiene una mayor interacción con el campo de Higgs”, asegura Ávila.
Para el científico, el segundo impacto del descubrimiento del Higgs tiene que ver con el éxito que representan las grandes colaboraciones científicas, como es el caso del experimento CMS, compuesto por ingenieros, estudiantes y profesores de más de 150 países (entre ellos Colombia) que, “usando el límite de la tecnología (como la aceleración de protones a las energías más altas y la capacidad de procesamiento computacional) pueden lograr hacer observaciones experimentales tan complejas, que de otra forma no fuesen posible”.
Luisa Fernanda Chaparro, egresada de la Universidad de los Andes, y actualmente profesora de física y ciencia de datos en el Tecnológico de Monterrey, tuvo la oportunidad de desarrollar la investigación de su Doctorado en el CERN, donde trabajó en la búsqueda del Higgs, en el canal de decaimiento de dos muones con colisiones a 13TeV, en el CMS.
Chaparro explica que su trabajo consistió en recuperar eventos que pudiesen contener fotones de radiación final, y que no habían sido considerados inicialmente en la reconstrucción del Higgs.
“Al final del análisis, logramos incrementar la señal entre un 3 y un 4%, dependiendo del canal de producción. Y, en 2020, el CMS presentó la evidencia del Higgs en este canal”, comenta Chaparro, quien hace investigación de ciencia de datos para aplicaciones tanto en física, como en matemáticas aplicadas, por ejemplo, a patrones de criminalidad, movilidad o deserción estudiantil.
La experta no duda en señalar que el descubrimiento del Higgs no solo ha permitido completar el rompecabezas del modelo estándar, que explica cómo las demás partículas adquieren masa y cómo esta depende de la interacción con el campo de Higgs, sino que además ha permitido avanzar cada vez más en la comprensión del mundo tal como lo conocemos.
“Es importante adelantar estudios en física de partículas, no solo para entender cómo se creó el universo y qué ha sucedido desde ese momento hasta el presente. También es importante para la generación y aplicación de las tecnologías paralelas que surgen como una necesidad en el procesamiento de las grandes cantidades de volumen de datos e información que se obtienen. Un ejemplo de ello es la rápida evolución de los sistemas computacionales, los algoritmos de aprendizaje de máquina, el desarrollo de nuevos detectores o, incluso, el uso de terapia de hadrones para el tratamiento de cáncer, por mencionar algunas”, concluye Chaparro.
