Hace diez años esta semana, dos colaboraciones internacionales de grupos de científicos, incluido un gran contingente de Caltech, confirmaron que habían encontrado evidencia concluyente del bosón de Higgs, una partícula elemental escurridiza, predicha por primera vez en una serie de artículos publicados a mediados del siglo pasado. 1960, que se cree que dota de masa a las partículas elementales.

Cincuenta años antes, mientras los físicos teóricos se esforzaban por comprender la llamada teoría electrodébil, que describe tanto el electromagnetismo como la fuerza nuclear débil (involucrada en la desintegración radiactiva), se hizo evidente para Peter Higgs, que trabajaba en el Reino Unido, y de forma independiente para François Englert. y Robert Brout, en Bélgica, así como el físico estadounidense Gerald Guralnik y otros, que se requería un campo previamente no identificado que llenaba el universo para explicar el comportamiento de las partículas elementales que componen la materia. Este campo, el campo de Higgs, daría lugar a una partícula con espín cero, masa significativa y la capacidad de romper espontáneamente la simetría del universo primitivo, permitiendo que el universo se materialice. Esa partícula se conoció como el bosón de Higgs.

Durante las décadas siguientes, los físicos experimentales primero idearon y luego desarrollaron los instrumentos y métodos necesarios para detectar el bosón de Higgs. El más ambicioso de estos proyectos fue el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), operado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear, o CERN. Desde la planificación del LHC a fines de la década de 1980, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Fundación Nacional de Ciencias han trabajado en colaboración con el CERN para brindar financiamiento y conocimientos tecnológicos, y para apoyar a miles de científicos que ayudan a buscar el Higgs.

El LHC es un anillo subterráneo de 27 kilómetros de largo a través del cual los protones son acelerados por imanes superconductores a un poco menos de la velocidad de la luz. Dos haces de protones que viajan en direcciones opuestas se enfocan y se dirigen para chocar entre sí en puntos específicos donde los detectores pueden observar las partículas producidas por estas colisiones. El uso de importantes instalaciones detectoras con diferentes diseños, principalmente el solenoide compacto de muones (CMS) y el Aparato LHC toroidal (ATLAS), permite a los científicos realizar una amplia variedad de experimentos para probar las predicciones del modelo estándar del cual el bosón de Higgs es una parte, para buscar nuevas partículas e interacciones que se encuentran más allá del modelo estándar, y para verificar los resultados de cada uno. La detección del bosón de Higgs, anunciada el 4 de julio de 2012, se basó en el análisis de una cantidad sin precedentes de datos recopilados por CMS y ATLAS.

Harvey Newman, profesor de física Marvin L. Goldberger en Caltech y uno de los líderes del equipo de Caltech, que forma parte de la colaboración CMS, llama al descubrimiento del bosón de Higgs "un hito en la historia humana" que "ha cambiado permanentemente la forma en que vemos el universo".

Llamado con humor la "partícula de Dios" en 1993 en un libro del mismo nombre por los autores Leon Lederman y Dick Teresi, el bosón de Higgs juega un papel crucial en el modelo estándar de la física:proporciona el mecanismo a través del cual las partículas elementales adquieren masa. A medida que las partículas atraviesan el campo de Higgs e interactúan con los bosones de Higgs, algunas se deslizan sobre la superficie sin cambiar en absoluto. Pero otros quedan atrapados en la maleza, por así decirlo, y ganan masa.

El modelo estándar aún tiene que explicar adecuadamente la materia oscura o la gravitación, pero una y otra vez sus predicciones se han confirmado experimentalmente. "Es un resultado llamativo y sorprendente que a través del análisis de cantidades crecientes de datos, con métodos cada vez más sensibles, la concordancia con el Modelo Estándar ha seguido mejorando en todos sus detalles, incluso como los primeros signos de lo que hay más allá, en términos de nuevas partículas y nuevas interacciones, nos sigue eludiendo", dice Newman.

Cualquier desviación de los resultados predichos por el modelo estándar sugiere la presencia de otras partículas o dinámicas que algún día pueden proporcionar la base para un nuevo modelo de física que lo abarque todo.

Las colisiones que producen bosones de Higgs son muy poco frecuentes. Por cada mil millones de colisiones protón-protón, solo se crea un bosón de Higgs. Para complicar aún más esta imagen, los bosones de Higgs se descomponen muy rápidamente en otras partículas, y solo midiendo las características de estas partículas se puede inferir la existencia previa del bosón de Higgs. Maria Spiropulu de Caltech, la profesora de física Shang-Yi Ch'en y la otra líder del equipo original de investigadores de Caltech que ayudaron a detectar el Higgs, lo describe como el "proverbial problema de la aguja en el pajar".

Las mejoras tecnológicas del LHC y sus detectores han permitido una mayor energía y una mayor precisión en los colisionadores y sus detectores. Desde el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, los experimentos en el LHC han revelado más información sobre el bosón de Higgs y sus procesos de masa y descomposición. Por ejemplo, en 2018, Newman, Spiropulu y otros investigadores de Caltech trabajaron con un equipo internacional que produjo evidencia que mostraba que el bosón de Higgs se descomponía en pares de partículas fundamentales llamadas quarks inferiores, trabajo que Spiropulu describió en ese momento como un "trabajo hercúleo". Antes de ese descubrimiento, el equipo de CMS realizó la primera observación del bosón de Higgs acoplándose directamente a la partícula modelo estándar más pesada, el quark top.

En 2020, Spiropulu y sus colegas documentaron un raro proceso de descomposición del bosón de Higgs que da como resultado dos muones. "Investigar las propiedades del bosón de Higgs equivale a buscar nueva física que sabemos que tiene que estar allí", dijo Spiropulu.

"Me acababa de graduar de la escuela secundaria cuando escuché sobre el descubrimiento de Higgs en el LHC", dice Irene Dutta (MS '20), estudiante graduada de Caltech y miembro del equipo de CMS, que trabajó en la investigación de muones. "Es una lección de humildad saber lo bien que el modelo estándar puede describir las partículas elementales y sus interacciones con tanta precisión".

Más recientemente, un equipo de investigadores dirigido por Caltech que trabaja en el experimento CMS utilizó algoritmos de aprendizaje automático basados ​​en redes neuronales para desarrollar un nuevo método para cazar lo que puede ser una presa aún más escurridiza que el propio Higgs:un extremadamente raro " par" de bosones de Higgs que interactúan y que, según la teoría, podrían producirse durante las colisiones de protones.

Después de un cierre de tres años para mejorar aún más el acelerador y los experimentos del LHC, el LHC comenzó los preparativos finales para una tercera ejecución (Ejecución 3) a principios de 2022. El inicio de la ejecución 3, programado para continuar hasta fines de 2025, tendrá lugar. el 5 de julio, produciendo las primeras colisiones en la nueva energía de 13,6 tera-electron-voltios.

"El descubrimiento de Higgs es un hito en un largo camino por delante", dice Barry Barish de Caltech, profesor de física Ronald y Maxine Linde, emérito, exlíder del grupo de física de alta energía de Caltech (y co-ganador del Premio Nobel de Física en 2017 por su trabajo en otro proyecto de física a gran escala, el Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro láser, o LIGO, que realizó la primera detección de las ondas en el espacio y el tiempo conocidas como ondas gravitacionales en 2016). "La física de partículas está avanzando teniendo en cuenta que el modelo estándar describe solo una pequeña fracción de lo que sabemos que hay allí y quedan más preguntas sin responder que respondidas; sí, tenemos una gran parametrización simple en el modelo estándar, pero el origen real Se desconoce la ruptura de la simetría electrodébil. Tenemos mucho más trabajo por delante", dice Barish.

Reflexionando sobre una década de exploración del bosón de Higgs, Newman señala que la investigación "continúa motivándonos a pensar más y diseñar detectores mejorados y mejoras en el acelerador que nos permitan expandir enormemente nuestro alcance ahora y durante las próximas dos décadas". Esto incluye la segunda fase principal del programa LHC, conocida como High Luminosity LHC, programada para ejecutarse entre 2029 y 2040. Proporcionará actualizaciones sustanciales del complejo del acelerador y los detectores que conducirán a un aumento proyectado en los datos recopilados por un factor de 20 en relación con lo que CMS y ATLAS tienen hoy.

El equipo de Caltech también incluye a Si Xie, profesor asistente de investigación de física, así como a los científicos investigadores Adi Bornheim y Ren-Yuan Zhu, quienes han dedicado décadas de estudio para descubrir y comprender el bosón de Higgs. El grupo Caltech lidera nuevas actualizaciones de detectores de sincronización de ultraprecisión para el LHC de alta luminosidad y desarrolla nuevos enfoques de análisis de datos basados ​​​​en IA que permitirán un descubrimiento acelerado casi en tiempo real. El grupo ha producido más de una docena de Ph.D. tesis y permitió a aproximadamente 100 estudiantes de pregrado y pasantes participar en investigación de análisis, instrumentación y computación desde el descubrimiento del Higgs. + Explora más

ATLAS y CMS publican los resultados de los estudios más completos hasta la fecha sobre las propiedades del bosón de Higgs