Hace diez años, el 4 de julio de 2012, las colaboraciones de ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) anunciaron el descubrimiento de una nueva partícula con características consistentes con las del bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar de física de partículas. El descubrimiento marcó un hito en la historia de la ciencia y captó la atención del mundo. Un año más tarde, François Englert y Peter Higgs ganaron el Premio Nobel de Física por su predicción realizada décadas antes, junto con el difunto Robert Brout, de un nuevo campo fundamental, conocido como el campo de Higgs, que impregna el universo, se manifiesta como el bosón de Higgs y da masa a las partículas elementales.

"El descubrimiento del bosón de Higgs fue un hito monumental en la física de partículas. Marcó tanto el final de un viaje de exploración de décadas como el comienzo de una nueva era de estudios de esta partícula tan especial", dice Fabiola Gianotti, directora del CERN. -General y líder del proyecto ('portavoz') del experimento ATLAS en el momento del descubrimiento. "Recuerdo con emoción el día del anuncio, un día de inmensa alegría para la comunidad mundial de física de partículas y para todas las personas que trabajaron incansablemente durante décadas para hacer posible este descubrimiento".

En solo diez años, los físicos han dado grandes pasos en nuestra comprensión del universo, no solo confirmando desde el principio que la partícula descubierta en 2012 es de hecho el bosón de Higgs, sino que también permite a los investigadores comenzar a construir una imagen de cómo la presencia generalizada de un bosón de Higgs campo en todo el universo se estableció una décima de una billonésima de segundo después del Big Bang.

El nuevo viaje hasta ahora

La nueva partícula descubierta por las colaboraciones internacionales ATLAS y CMS en 2012 se parecía mucho al bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar. Pero, ¿era realmente esa partícula tan buscada? Tan pronto como se realizó el descubrimiento, ATLAS y CMS se propusieron investigar en detalle si las propiedades de la partícula que habían descubierto realmente coincidían con las predichas por el Modelo Estándar. Mediante el uso de datos de la desintegración, o 'descomposición', de la nueva partícula en dos fotones, los portadores de la fuerza electromagnética, el

Los experimentos han demostrado que la nueva partícula no tiene momento angular intrínseco ni espín cuántico, exactamente como el bosón de Higgs predicho por el modelo estándar. Por el contrario, todas las demás partículas elementales conocidas tienen espín:las partículas de materia, como los quarks 'arriba' y 'abajo' que forman protones y neutrones, y las partículas portadoras de fuerza, como los bosones W y Z.

Al observar que los bosones de Higgs se producen y se descomponen en pares de bosones W o Z, ATLAS y CMS confirmaron que estos ganan masa a través de sus interacciones con el campo de Higgs, como predice el Modelo Estándar. La fuerza de estas interacciones explica el corto alcance de la fuerza débil, que es responsable de una forma de radiactividad e inicia la reacción de fusión nuclear que alimenta al Sol.

Los experimentos también han demostrado que el quark top, el quark bottom y el leptón tau, que son los fermiones más pesados, obtienen su masa de sus interacciones con el campo de Higgs, de nuevo como predice el Modelo Estándar. Lo hicieron observando, en el caso del quark top, que el bosón de Higgs se producía junto con pares de quarks top, y en los casos del quark bottom y el leptón tau, la descomposición del bosón en pares de quarks bottom y leptones tau, respectivamente. . Estas observaciones confirmaron la existencia de una interacción, o fuerza, llamada interacción de Yukawa, que es parte del modelo estándar pero es diferente a todas las demás fuerzas del modelo estándar:está mediada por el bosón de Higgs y su fuerza no está cuantificada. es decir, no viene en múltiplos de una determinada unidad.

ATLAS y CMS midieron la masa del bosón de Higgs en 125 mil millones de electronvoltios (GeV), con una precisión impresionante de casi uno por mil. La masa del bosón de Higgs es una constante fundamental de la naturaleza que el modelo estándar no predice. Además, junto con la masa de la partícula elemental más pesada conocida, el quark top y otros parámetros, la masa del bosón de Higgs puede determinar la estabilidad del vacío del universo.

Estos son solo algunos de los resultados concretos de diez años de exploración del bosón de Higgs en el colisionador más grande y poderoso del mundo, el único lugar del mundo donde se puede producir y estudiar en detalle esta partícula única.

"Las grandes muestras de datos proporcionadas por el LHC, el rendimiento excepcional de los detectores ATLAS y CMS y las nuevas técnicas de análisis han permitido que ambas colaboraciones amplíen la sensibilidad de sus mediciones del bosón de Higgs más allá de lo que se creía posible cuando se diseñaron los experimentos". dice el portavoz de ATLAS, Andreas Hoecker.

Además, desde que el LHC comenzó a colisionar protones a energías récord en 2010, y gracias a la sensibilidad y precisión sin precedentes de los cuatro experimentos principales, las colaboraciones del LHC han descubierto más de 60 partículas compuestas predichas por el Modelo Estándar, algunas de las cuales son exóticas. 'tetraquarks' y 'pentaquarks'. Los experimentos también han revelado una serie de indicios intrigantes de desviaciones del Modelo Estándar que obligan a una mayor investigación, y han estudiado el plasma de quarks-gluones que llenó el universo en sus primeros momentos con un detalle sin precedentes. También observaron muchos procesos de partículas raras, realizaron mediciones cada vez más precisas de los fenómenos del modelo estándar y abrieron nuevos caminos en la búsqueda de nuevas partículas más allá de las predichas por el estándar

Modelo, incluidas las partículas que pueden formar la materia oscura que representa la mayor parte de la masa del universo.

Los resultados de estas búsquedas agregan piezas importantes a nuestra comprensión de la física fundamental. "Los descubrimientos en física de partículas no tienen por qué significar nuevas partículas", dice el Director de Investigación y Computación del CERN, Joachim Mnich. "Los resultados del LHC obtenidos a lo largo de una década de funcionamiento de la máquina nos han permitido extender una red mucho más amplia en nuestras búsquedas, estableciendo fuertes límites en las posibles extensiones del Modelo Estándar, y creando nuevas técnicas de búsqueda y análisis de datos. "

Sorprendentemente, todos los resultados del LHC obtenidos hasta ahora se basan en solo el 5% de la cantidad total de datos que el colisionador entregará durante su vida útil. "Con esta 'pequeña' muestra, el LHC ha permitido grandes avances en nuestra comprensión de las partículas elementales y sus interacciones", dice el teórico del CERN Michelangelo Mangano. "Y si bien todos los resultados obtenidos hasta ahora son consistentes con el modelo estándar, todavía hay mucho espacio para nuevos fenómenos más allá de lo que predice esta teoría".

"El propio bosón de Higgs puede apuntar a nuevos fenómenos, incluidos algunos que podrían ser responsables de la materia oscura en el universo", dice el portavoz de CMS, Luca Malgeri. "ATLAS y CMS están realizando muchas búsquedas para investigar todas las formas de procesos inesperados que involucran al bosón de Higgs".

El viaje que aún queda por delante

¿Qué queda por aprender sobre el campo de Higgs y el bosón de Higgs diez años después? Mucho. ¿El campo de Higgs también da masa a los fermiones más ligeros o podría estar en juego otro mecanismo? ¿El bosón de Higgs es una partícula elemental o compuesta? ¿Puede interactuar con la materia oscura y revelar la naturaleza de esta misteriosa forma de materia? ¿Qué genera la masa y la autointeracción del bosón de Higgs? ¿Tiene gemelos o parientes?

Encontrar las respuestas a estas y otras preguntas intrigantes no solo mejorará nuestra comprensión del universo en las escalas más pequeñas, sino que también puede ayudar a descubrir algunos de los misterios más grandes del universo en su conjunto, como por ejemplo, cómo llegó a ser como es. y cuál podría ser su destino final. La autointeracción del bosón de Higgs, en particular, podría ser la clave para una mejor comprensión del desequilibrio entre la materia y la antimateria y la estabilidad del vacío en el universo.

Si bien las respuestas a algunas de estas preguntas pueden provenir de datos de la inminente tercera ejecución del LHC o de la importante actualización del colisionador, el LHC de alta luminosidad, a partir de 2029, se cree que las respuestas a otros enigmas están más allá del alcance de la LHC, que requiere una futura 'fábrica de Higgs'. Por este motivo, el CERN y sus socios internacionales están investigando la viabilidad técnica y financiera de una máquina mucho más grande y potente, el Future Circular Collider, en respuesta a una recomendación realizada en la última actualización de la Estrategia Europea de Física de Partículas.

"Los colisionadores de alta energía siguen siendo el microscopio más poderoso a nuestra disposición para explorar la naturaleza en las escalas más pequeñas y descubrir las leyes fundamentales que gobiernan el universo", dice Gian Giudice, jefe del departamento de Teoría del CERN. "Además, estas máquinas también aportan enormes beneficios sociales".

Históricamente, las tecnologías de aceleradores, detectores y computación asociadas con los colisionadores de alta energía han tenido un gran impacto positivo en la sociedad, con invenciones como la World Wide Web, los desarrollos de detectores que llevaron al escáner PET (Tomografía por Emisión de Positrones) y el diseño de aceleradores para la terapia de hadrones en el tratamiento de cánceres. Además, el diseño, construcción y operación de colisionadores y experimentos de física de partículas han dado como resultado la formación de nuevas generaciones de científicos y profesionales en otros campos, y en un modelo único de colaboración internacional. + Explora más

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