Ciencia.-La 'partícula de Dios' no parece contener ningún factor de nueva física

El bosón de Higgs -también conocido como la ‘partícula de Dios- fue descubierto en los detectores del Gran Colisionador de Hadrones hace una docena de años. Se ha demostrado que es una partícula tan difícil de producir y observar que, a pesar del paso del tiempo, sus propiedades aún no se conocen con precisión satisfactoria.

Los físicos han estado tratando de aprender lo más exactamente posible sobre las propiedades de esta importantísima partícula elemental. La tarea es extremadamente difícil debido tanto a los desafíos experimentales como a los numerosos obstáculos computacionales.

Un grupo de físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia Polaca de Ciencias (IFJ PAN) en Cracovia, la Universidad RWTH de Aquisgrán (RWTH) y el Instituto Max-Planck de Física (MPI) han producido avances significativos en un nuevo estudio publicado en Physical Review Letters.

El Modelo Estándar es una estructura teórica compleja construida en los años 70 para describir de forma coherente las partículas elementales de la materia conocidas hasta el momento (los quarks, así como los electrones, los muones, la tau y la trinidad asociada de neutrinos) y las fuerzas electromagnéticas (los fotones) y nucleares (los gluones en el caso de interacciones fuertes, los bosones W y Z en el caso de interacciones débiles). La guinda del pastel en la creación del Modelo Estándar fue el descubrimiento, gracias al LHC, del bosón de Higgs, una partícula que desempeña un papel clave en el mecanismo responsable de dar masa a las demás partículas elementales.

El descubrimiento del bosón de Higgs se anunció a mediados de 2012. Desde entonces, los científicos han intentado obtener la mayor cantidad de información posible sobre esta partícula de importancia fundamental.

«Para un físico, uno de los parámetros más importantes asociados con cualquier partícula elemental o nuclear es la sección eficaz para una colisión específica. Esto se debe a que nos da información sobre la frecuencia con la que podemos esperar que la partícula aparezca en colisiones de un tipo determinado. Nos hemos centrado en la determinación teórica de la sección eficaz del bosón de Higgs en las colisiones gluón-gluón. Son responsables de la producción de aproximadamente el 90% del bosón de Higgs, cuya presencia se ha registrado en los detectores del acelerador LHC», explica en un comunicado el Dr. René Poncelet, autor principal del estudio y científico del IFJ PAN.

DICIULTADES MATEMÁTICAS SUPERADAS

El profesor Michal Czakon (RWTH), coautor del artículo, añade: «La esencia de nuestro trabajo fue el deseo de tener en cuenta, al determinar la sección eficaz activa para la producción de bosones de Higgs, ciertas correcciones que, debido a su contribución aparentemente pequeña, normalmente se descuidan, porque ignorarlas simplifica significativamente los cálculos. Es la primera vez que hemos logrado superar las dificultades matemáticas y determinar estas correcciones».

La importancia del papel de las correcciones de orden superior para comprender las propiedades de los bosones de Higgs se puede ver en el hecho de que las correcciones secundarias calculadas en el artículo, aparentemente pequeñas, contribuyen casi una quinta parte del valor de la sección eficaz activa buscada. Esto se compara con las correcciones de tercer orden del tres por ciento (pero que reducen las incertidumbres computacionales a solo un uno por ciento). Una novedad del trabajo fue tener en cuenta el efecto de las masas de los quarks bottom, lo que da lugar a un pequeño pero perceptible cambio de alrededor del uno por ciento.

El LHC hace colisionar protones, es decir, partículas que consisten en dos quarks up y un quark down. La presencia temporal de quarks con masas mayores dentro de los protones, como el quark beauty, es una consecuencia de la naturaleza cuántica de las interacciones fuertes que unen a los quarks en el protón.

«Los valores de la sección eficaz activa para la producción del bosón de Higgs encontrados por nuestro grupo y medidos en colisiones de haces anteriores en el LHC son prácticamente los mismos, naturalmente teniendo en cuenta las imprecisiones actuales de cálculo y medición. Por lo tanto, parece que no hay presagios de nueva física visibles dentro de los mecanismos responsables de la formación de los bosones de Higgs que estamos investigando, al menos por el momento», resume el Dr. Poncelet.

La creencia generalizada entre los científicos de que es necesaria la existencia de una nueva física se debe a que el Modelo Estándar no puede responder a una serie de cuestiones de importancia fundamental.

¿Por qué las partículas elementales tienen la masa que tienen? ¿Por qué forman familias? ¿De qué está hecha la materia oscura, cuyos rastros son tan claramente visibles en el cosmos? ¿A qué se debe el predominio de la materia sobre la antimateria en el Universo? El Modelo Estándar también necesita ser ampliado porque no tiene en cuenta en absoluto la gravedad, que es una interacción muy común.

Los autores del nuevo estudio enfarizan que su trabajo no descarta definitivamente la presencia de nueva física en los fenómenos que acompañan al nacimiento del bosón de Higgs. Mucho puede cambiar cuando comiencen a analizarse los datos del cuarto ciclo de investigación del Gran Colisionador de Hadrones, que está comenzando gradualmente.

El creciente número de observaciones de nuevas colisiones de partículas puede permitir reducir las incertidumbres de medición de tal manera que el rango medido de secciones eficaces permisibles para la producción del bosón de Higgs ya no coincida con el definido por la teoría. Si esto sucederá o no, los físicos lo descubrirán en unos años. Por ahora, el Modelo Estándar puede sentirse más seguro que nunca, y este hecho está comenzando a convertirse lentamente en el descubrimiento más sorprendente realizado con el LHC, concluyen.