En 1975, tres teóricos del CERN, John Ellis, Mary K. Gaillard y Dimitri Nanopoulos, emprendieron el primer estudio exhaustivo de la fenomenología del colisionador del bosón de Higgs. Casi 40 años después, fue descubierto en el LHC. Ahora, diez años después, ¿podríamos tener tal previsión a largo plazo para anticipar los variados caminos que puede seguir la investigación futura de Higgs?

El 4 de julio de 2022, mientras disfrutaba de las hermosas presentaciones en el simposio Higgs@10, una frase resonaba en mis oídos:"Compatible con las predicciones del modelo estándar (SM)". Las campanas de alarma estaban sonando. ¿En serio? ¿Estamos seguros? Si el Higgs es o no similar a SM es una pregunta que dará forma al futuro experimental de la investigación de Higgs.

Podemos cuantificar una respuesta a través del lenguaje de la teoría del campo efectivo, que es una manifestación matemática de la noción de que la forma más efectiva de describir un objeto depende de la escala de longitud desde la que lo estás viendo. Para los astronautas, la Tierra se describe muy bien como una esfera lisa. Para los estudiantes de verano que van de excursión a Le Reculet, no lo es. Lo mismo ocurre con el mundo cuántico. Lejos de ser un átomo neutro, aparece efectivamente como una partícula puntual con algunas interacciones multipolares sobrantes con fotones. A distancias más cortas, metiéndose entre los electrones, esta descripción falla por completo.

Lo mismo ocurre con el Higgs. Lo que sea que esté sucediendo allí, a energías lo suficientemente cercanas a mh, se describe efectivamente como una partícula puntual con un puñado de "operadores" adicionales, que son esencialmente interacciones de partículas nuevas que no están contenidas en el SM (no aparecen en esa taza o camiseta) pero involucran partículas SM. A simple vista, el astronauta puede distinguir algunas características de la Tierra y suponer que puede haber montañas, pero en realidad no pudo estimar el aumento de elevación de los estudiantes. De manera similar, los operadores que no son SM Higgs pueden capturar los efectos sobrantes de larga distancia de las entrañas microscópicas del Higgs, pero no revelar todo su esplendor en detalle. Si todos estos operadores adicionales desaparecen, el Higgs es como SM. Consideremos dos ejemplos cuidadosamente seleccionados e investiguemos qué tan parecido a SM es el Higgs...

¿Qué tan "borroso" es? ¿Es como un punto hasta las escalas de distancia más pequeñas o, como el pión, está formado por otras partículas nuevas aún no identificadas? En el último caso, al igual que con los piones y sus quarks y gluones constituyentes, la observación directa de la nueva materia requeriría ir a energías más altas. Alternativamente, podría ser como un punto, pero sondearlo de cerca puede revelar las pistas reveladoras de una nube de nuevas partículas con las que interactúa. Para su interés, el operador que puede capturar estas propiedades se escribe (∂μ|H|2)2. Si desaparece, el Higgs es completamente puntual. Si no, es más confuso de lo esperado. ¿Qué tan borroso es? Las mediciones actuales del acoplamiento LHC Higgs sugieren que es efectivamente como un punto hasta una escala de longitud simplemente un factor tres por debajo de la escala electrodébil. ¡Todavía podría ser muy confuso! Tan borroso como un pión. Si es así, ¡difícilmente un Higgs como SM! Debemos hacerlo mejor y, a través de mediciones de acoplamiento mucho más precisas al nivel del 0,2 %, una futura fábrica de Higgs como la FCC-ee podría determinar si el Higgs es puntual hasta el nivel del 6 %.

¿El Higgs se encuentra atractivo? Sí, según el SM. Nuevas partículas significan nuevas fuerzas, por lo que si el bosón de Higgs interactúa con nuevas partículas pesadas, generarán una nueva fuerza entre el bosón de Higgs y él mismo. El operador que captura efectivamente esto es |H|6 y literalmente da forma a la forma en que el campo de Higgs dio masa a las partículas durante el nacimiento mismo de nuestro universo. Entonces, ¿qué tan similar a SM es la autoatracción de Higgs? Con las limitaciones experimentales actuales, sabemos que la autoatracción de Higgs podría ser un 530 % más fuerte que el valor de SM (no solo autoatracción, más como pura vanidad) o incluso −140 % menos (autorrepulsivo, más como). ¡Difícilmente como SM en cualquier caso! Para tener una idea de si la autoatracción es similar a SM, debemos hacerlo mucho mejor. Una instalación futura, como FCC-hh, CLIC o un colisionador de muones, podría investigar la autoatracción en un nivel mucho más preciso del 5 %.

La paciencia es una virtud; la complacencia no lo es. Es demasiado pronto para pedir tiempo en la barra para el bosón de Higgs. Quién sabe, incluso podemos recibir algo completamente inesperado, como una nueva ventana al sector oscuro del universo. Explorar verdaderamente todas las facetas de la naturaleza del bosón de Higgs, comprender si es o no similar a SM, llevará tiempo (medido en décadas) y mucho trabajo duro. Pero se puede y se debe hacer. Este es el futuro experimental de la investigación de Higgs que esperamos.

Dicho todo esto, no es ningún secreto que muchos teóricos esperaban que el Higgs fuera mucho menos parecido a SM de lo que parece ser. Cabezas debidamente rascadas, un golpe de estado teórico ahora está en marcha en silencio. Había buenas razones para esperar algo diferente:principalmente el problema de la jerarquía. Este problema no es simplemente estético. El SM se descompone a altas energías, lo que en última instancia hace predicciones patológicas, por lo que solo puede ser una descripción de la teoría del campo efectivo a larga distancia de algo más fundamental. Si, como fue el caso de los piones, la masa de Higgs está determinada por los parámetros más fundamentales, entonces para el Higgs no existe ningún mecanismo para mantenerla más ligera que la escala de masa de las nuevas partículas en esa teoría. Sin embargo, los colisionadores nos dicen que hay una brecha entre la masa del Higgs y la de esas nuevas partículas. En el pasado, esto motivó el descubrimiento y desarrollo de nuevos mecanismos para explicar un Higgs ligero, como la venerada supersimetría de baja escala, que hasta ahora no se presentó en la fiesta de física del LHC, con su asistente Higgs no similar a SM.

Bruscamente despertados por la avalancha de complots de exclusión, el café olía a regañadientes, los teóricos han presentado, en los últimos años, lo que bien podría resultar ser desarrollos teóricos revolucionarios. El problema de la jerarquía no ha desaparecido y tampoco los datos, por lo que las otras suposiciones fundamentales inyectadas de forma encubierta en las viejas teorías, a menudo vinculadas a la simetría o principios estéticos como la simplicidad o la minimalidad, han sido cuestionadas y encontradas deficientes. En respuesta, se han desarrollado intrépidas nuevas clases de teorías que pueden abordar el problema de la jerarquía mientras son consistentes con todas esas molestas tramas de exclusión. Van desde ajustes conceptuales relativamente modestos de las estructuras existentes hasta el abandono de los principios estéticos, y luego todo el camino hasta los intentos de vincular la masa de Higgs con los orígenes del universo, la cosmología, la naturaleza del Big Bang y , en un extremo, especulaciones sobre posibles vínculos entre la masa de Higgs y la existencia de la vida misma. Lo que sea, vamos audazmente.

No es un hecho consumado. Ninguna de estas ideas es tan embriagadora como la supersimetría o tan estupefaciente como las dimensiones extra, cada una de las cuales deja a quienes las estudian con más una sensación de "observar este espacio" que el "eureka" que disfrutó Arquímedes. Diversamente, no son lo suficientemente radicales, demasiado radicales o simplemente no tienen gusto. No hay momento Goldilocks por el momento. Sin embargo, en mi opinión, estos problemas son motivo de esperanza. En momentos similares en el pasado, hemos estado esencialmente en el camino correcto, teniendo que esperar un poco más de lo esperado para confirmar los datos experimentales (quark top). En otras ocasiones, las ideas correctas han sido demasiado radicales para que la mayoría las pueda digerir de una sola vez (mecánica cuántica). Sin embargo, para otros, los enfoques correctos languidecieron en una relativa oscuridad durante demasiado tiempo, simplemente por no estar a la moda (teoría cuántica de campos). Busque los registros de citas de los artículos originales de Brout-Englert, Higgs, Guralnik-Hagen-Kibble o "A Model of Leptons" de Weinberg, todos fundamentales para la física del bosón de Higgs, y verá que son ejemplos importantes. que haríamos bien en recordar. La naturaleza no prometió que comprender los orígenes del Higgs debería haber sido fácil, ni debería serlo en el futuro, pero la historia enseña que aquellos que exploran sin descanso y sin miedo a menudo son recompensados ​​con el mayor premio de todos:la verdad.

¿Adónde irá todo esto en los próximos años? ¿Seremos lo suficientemente tenaces para construir el acelerador, los detectores y la aldea necesaria para medir la autoatracción del Higgs o descubrir la borrosidad del Higgs? ¿Algunos teóricos valientes abrirán la puerta a la teoría fundamental más allá del SM? ¿Serán los fenomenólogos del futuro los primeros cimientos del camino para descubrirlo?

Como dijo Dennis Gabor, el inventor de la holografía:"El futuro no se puede predecir, pero los futuros se pueden inventar". Estamos trabajando en ello. + Explora más

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