1,6 x 10-22 segundos: Eso, según la teoría, es la vida útil del bosón de Higgs, una de las partículas más buscadas en el mundo subatómico. Este tiempo es tan corto que decenas de billones de bosones de Higgs podrían vivir y morir antes de que la luz del dispositivo que estás usando para leer esto llegue a tus ojos.
Los físicos se están concentrando en esta vida en el mundo real. Al estudiar detenidamente los datos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, los científicos han reducido la vida útil del Higgs a algo alrededor de 1,6 x 10.-22 figura. Los científicos pudieron hacerlo gracias a los datos del CMS, uno de los detectores del LHC. Su trabajo es un gran avance, y es una señal de que, casi una década después del descubrimi ento del bosón de Higgs, todavía queda bastante por aprender sobre la partícula.
“Este es un buen logro, un gran hito, pero es solo el primer paso”, dice Caterina Vernieric, físico de partículas del SLAC National Accelerator Laboratory en California, que ha trabajado con el grupo CMS en el pasado pero no participó en esta investigación actual.
El bosón de Higgs es la razón por la que muchas partículas tienen masa, para hacer una larga historia que involucra conceptos complejos llamados “campos cuánticos” y “ruptura de simetría” breve. Se teorizó por primera vez en la década de 1960 (su homónimo es Peter Higgs, un físico británico ganador del Nobel) pero eludió a los científicos durante décadas.
Romper las partículas a una energía cada vez más alta fue la clave de su descubrimiento, hecho posible por el LHC, donde las partículas circulan a través de un anillo de 17 millas de largo en la frontera franco-suiza. El LHC se puso en línea en 2008. En 2012, los físicos que trabajaban allí encontraron las huellas dactilares de algo que pudo han sido el bosón de Higgs; a finales de 2013, habían determinado que sus resultados no eran solo ruido estadístico aleatorio.
La búsqueda del bosón de Higgs había terminado. Pero el hecho de que los científicos hayan descubierto una partícula, o cualquier otra cosa, no significa que comprendan todas sus propiedades.
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Los físicos teóricos predijeron muchas de las propiedades del bosón de Higgs en las décadas anteriores a su descubrimiento. Si esas predicciones teóricas coincidieran bien con lo que los científicos finalmente encontraron, entonces sería una evidencia adicional de que el bosón de Higgs encaja en la teoría detrás de la física de partículas moderna, la llamada Modelo estandar. Ayudaría a los científicos a aprender más sobre cómo funciona el universo en las escalas más pequeñas.
Pero los científicos están tratando de estudiar cosas que no se revelan exactamente al mundo. Las partículas como el Higgs, además de su diminuto tamaño, solo pueden mostrarse durante breves períodos de tiempo antes de descomponerse en un tablero de charcutería de otras partículas.
“La vida útil del bosón de Higgs es extremadamente pequeña”, dice Vernieri. “Entonces, cuando se produce en nuestro experimento, en realidad no medimos el bosón de Higgs ni vemos un bosón de Higgs, pero lo que vemos son los escombros … de las partículas en las que se descompone”.
Entonces, los científicos de CMS estudiaron minuciosamente los datos de los experimentos del LHC realizados entre 2015 y 2018. Al observar las partículas en las que se descompuso el bosón de Higgs, pudieron retroceder y encontrar un rango de masas que podría tener el bosón de Higgs. Gracias a una propiedad cuántica llamada principio de incertidumbre, ese rango es inversamente proporcional a la vida útil de la partícula, lo que permite a los físicos calcular la última a partir de la primera.
Según sus cálculos, la vida útil del bosón de Higgs se sitúa entre 1,2 x 10-22 segundos y 4,4 x 10-22 segundos. Esa es la estimación más precisa de la vida útil del bosón de Higgs hasta ahora, alineándose bien con el 1.6 x 10-22 número que predijeron los teóricos.
Y, sin embargo, no es lo suficientemente preciso para algunos físicos.
Existe la posibilidad, por ejemplo, de que haya una partícula exótica extraña, actualmente desconocida, en la que se desintegra el bosón de Higgs, que el Modelo Estándar no tiene en cuenta. Eso influiría en la vida útil del bosón de Higgs, pero tan sutilmente que ni siquiera este cálculo podría detectarlo.
“Este sería un cambio minúsculo, minúsculo en el valor de vida útil”, dice Vernieri. “Así que realmente necesitamos medir la vida útil con muy buena precisión”.
Afortunadamente, los físicos de partículas creen que pueden mejorar en ese sentido. “Se espera que la precisión de la medición mejore en los próximos años con datos de las próximas ejecuciones del LHC y nuevas ideas de análisis”, dice Pascal Vanlaer, físico de CMS y uno de los físicos detrás del proyecto, en una declaración.
La primera de esas próximas carreras es, según el plan, no muy lejana en el futuro. Desde 2018, el LHC ha sido cerrado durante un período prolongado llamado, apropiadamente, Parada prolongada 2. Durante ese tiempo, el colisionador y las instalaciones circundantes del CERN se han sometido a una serie de mejoras. Luego de una interrupción de ese horario causada por COVID-19, el colisionador está programado para encenderse nuevamente en febrero de 2022.
Y hay muchas otras cosas sobre el bosón de Higgs que todavía no sabemos con certeza, desde cómo se produce hasta cómo reacciona a otras partículas y cómo interactúa consigo mismo. Para determinar esas características, ni siquiera el LHC puede ser lo suficientemente sensible.
“Producimos un bosón de Higgs cada mil millones de colisiones en el LHC”, dice Vernieri, y a menudo, tratar de ver los bosones de Higgs significa tener que mirar a través de todo un mar de otras partículas. “Es un entorno muy desafiante para estudiar, con mucha precisión, la producción de partículas”.
La clave será un entorno más limpio para estudiar el bosón de Higgs con mayor precisión, dice Vernieri. Quizás, entonces, ese es un trabajo para uno de los sucesores propuestos del LHC.