¿Qué pasa si no existe el bosón de Higgs?

Se ha hablado tanto del tema que quizás pueda resultar aburrido para mucha gente, pero el artículo de A. Falkowski et al., “If no Higgs then what?,” ArXiv, Aug 4, 2011 [CERN-PH-TH/2011-185], es una buena excusa para volver a retomar este tema. Lo primero es lo primero, en mi opinión personal, el bosón de Higgs existe y será encontrado en el LHC del CERN en el rango de masas entre 115 y 145 GeV/c²; hay demasiadas pruebas que apuntan a su existencia (test de precisión del modelo estándar) y no hay ninguna razón para dudar de ella (aparte de la opinión de algunos físicos teóricos). Más aún, yo apuesto a que tendrá una masa del orden de 120 GeV/c².

El nuevo artículo de Falkowski et al. se inicia afirmando que “si el bosón de Higgs (predicho por el modelo estándar) no existe, entonces el modelo estándar estará fuertemente acoplado en la escala de los TeV.” ¿Qué significa esto? ¿Es un problema? Aquí es donde entran las opiniones. Hay dos opciones posibles. La primera es que la Naturaleza sea maliciosa para los físicos. En dicho caso, si el bosón de Higgs no existe, el modelo estándar deberá ser estudiado en la escala de los TeV mediante métodos no perturbativos. Esto no es para tirarse de los pelos, por ejemplo, la QCD (cromodinámica cuántica) en la escala de los GeV requiere dichos métodos, basta recordar que nadie es capaz de calcular la masa del protón sin usar supercomputadores. ¿Dónde está el problema entonces? Hoy en día desconocemos como hacerlo y si el LHC del CERN no encuentra absolutamente nada, ni siquiera el bosón de Higgs, los físicos teóricos estarán bastante entretenidos durante muchos años tratando de desarrollar estos nuevos métodos matemáticos no perturbativos a la espera de un acelerador de mayor energía que el LHC (que puede tardar décadas en ver la luz). Sobre esta opción poco más se puede decir, lo importante es que no hay que olvidarla.

La segunda opción es más interesante desde el punto de vista del LHC. Si la Naturaleza es sutil, pero no perversa, el modelo estándar podrá ser estudiado mediante técnicas perturbativas en la escala de los TeV. La Naturaleza facilitará la vida a todos los físicos, tanto teóricos como experimentales, permitiendo que las técnicas matemáticas “torpes” utilizadas por los físicos durante los últimos 50 años sigan siendo útiles durante las próximas décadas. ¡Amén! ¡Que así sea! En dicho caso, si no existe el bosón de Higgs, el modelo estándar se suicidará a sí mismo, pues es bien conocido que se vuelve inestable en la escala de los TeV sin un bosón de Higgs adecuado o si no existe ninguna nueva ley física que lo impida (como una nueva partícula que le proteja de sí mismo). La carta de suicidio ya ha sido escrita. Su única salvación es que haya nueva física (nuevas leyes físicas o nuevas partículas) en el rango de energías entre 0,1 y 2 TeV. El LHC del CERN ha sido diseñado para explorar en detalle estas energías (con colisiones a 14 TeV c.m. lo máximo que se pueden explorar, y solo en algunos canales de búsqueda, son unos 5 TeV). Si la Naturaleza es sutil, pero no perversa, y si el bosón de Higgs no existe, el LHC descubrirá algo que estabilice el modelo estándar en la escala de los TeV.

Hay muchas posibilidades, algunas podrían ser muy fáciles de descubrir en el LHC y otras serán muy sutiles y requerirán un análisis lento y pesado durante muchos años. Pero al final, como algo tiene que haber, algo será encontrado, si la Naturaleza no es maliciosa. ¿Conocéis el chiste del borracho que perdió las llaves y se puso a buscarlas debajo de una farola? El LHC es la farola para los físicos a la hora de buscar física más allá del modelo estándar. Todos los físicos teóricos están tratando de estirar sus teorías físicas favoritas para que, en parte, queden iluminadas por la farola del LHC. Por lo tanto, propuestas teóricas las hay por doquier.

¿Puede producir agujeros negros un colisionador de hadrones? Sí, por supuesto, si las colisiones tuvieran una energía en la escala de Planck (billones de veces por encima de las alcanzable en el LHC). Pero en el LHC es imposible, sus colisiones tienen una energía billones de veces inferior. Bueno, imposible suena muy fuerte… nunca digas nunca jamás. Se puede estirar la teoría para buscarlos en la farola del LHC. Si hay dimensiones extra gigantescas (en la escala de los milímetros) y la energía en la que las teorías de cuerdas es aplicable se baja a la escala de los TeV (desacoplando la escala de energía de las cuerdas de su escala de energía natural, la escala de Planck), entonces sí podrían observarse. Por ello hay que buscarlos. De hecho, buscarlos es muy fácil. Ya han sido buscados y no han sido encontrados (con energías por debajo de los 2 TeV).

Para proteger al modelo estándar de su propio suicidio, si no existe el bosón de Higgs, tiene que existir algo nuevo aún no descubierto. ¿Tiene que ser muy complicado o revolucionario? No, ni mucho menos. Ya hay infinidad de propuestas. Algunas tan sencillas como la existencia de un único nuevo bosón vectorial Z’ (Z prima), es decir, añadir al modelo estándar una nueva simetría U(1), una nueva interacción similar a las corrientes débiles neutras (un nuevo electromagnetismo con “fotones muy pesados”). Si esta simetría/partícula tiene las propiedades adecuadas, es suficiente para estabilizar el modelo estándar en la escala de los TeV. Pero una solución tan sencilla tiene el problema de que retrasaría el suicidio, el problema de la estabilidad del modelo estándar pasaría a la escala de los 10 TeV ; tendría que haber algo más a dicha escala. Aún así, esta solución tan sencilla serviría para los próximos 20 años de física de partículas. Si solo podemos usar bosones vectoriales, para estabilizar el modelo estándar hasta la escala de energías de Planck (donde empezará a dominar la gravedad, no considerada aún por el modelo estándar), se necesitaría una escalera de nuevos bosones vectoriales. Pero no hay nada en contra de esta posibilidad, salvo el gusto de los físicos.

Hay muchas otras opciones. Por ejemplo, podría existir una cuarta generación de partículas elementales cuyos mesones (pares quark-antiquark) podrían hacer fácilmente el papel del bosón de Higgs en la ruptura de la simetría electrodébil y en la estabilización del modelo estándar. Estos mesones tendrían que tener una masa entre 1 y 3 TeV. A los que no les gusta una cuarta generación de partículas, porque las estimaciones astrofísicas y cosmológicas de la masa de los neutrinos apuntan a que no hay más que tres neutrinos, aunque WMAP 7 no descarta un neutrino adicional, les gustará saber que bastaría que existiera una nueva partícula tipo fermión (una especie de quark pero con una nueva carga) que junto con su antipartícula formara partículas parecidas a los mesones (bosones escalares neutros). No sería una cuarta generación en toda regla. Bastaría una sola partícula con las propiedades adecuadas.

Y así sucesivamente. Si hay soluciones sencillas a los problemas del modelo estándar en la escala de los TeV añadiendo una sola partícula o una sola interacción nueva (muy similar a las ya existentes), os podéis imaginar que si abrimos la veda y permitimos dos nuevas partículas, o cuatro,  o las que sean, las posibilidades crecen ad infinitum. Opciones como la supersimetría, que duplica todo lo conocido y añade una nueva pareja (superpartícula) a toda partícula conocida son soluciones, no hay que olvidarlo, que implican cambios en todas las escalas de energías desde los TeV hasta la escala de Planck. En mi opinión, está solución es similar a matar moscas a cañonazos. Los defensores de la supersimetría me dirán que me olvido de un detalle importante, el más importante, la belleza matemática intrínseca de la supersimetría. ¿Qué es más bello un cristal de hielo o una gota de agua? ¿Qué es más bello un dibujo de Escher visto a través de un cristal de hielo o a través de una gota de agua? Ya se sabe que en cuestión de gustos no hay nada escrito.

Solo el experimento, solo el LHC del CERN, puede determinar qué es lo que hay que añadir al modelo estándar en la escala de los TeV para estabilizarlo. No hay que olvidar que el objetivo principal del LHC en el CERN es estudiar la dinámica de la ruptura de la simetría electrodébil, la razón por la cual a alta energía (por encima de unos 250 GeV) el electromagnetismo y la interacción débil están unificados en una teoría común, la interacción electrodébil; o lo que es lo mismo, la razón por la cual la teoría electrodébil a baja energía se presenta con dos caras muy distintas, cual Jano mitológico. Tanto el LEP del CERN como el Tevatrón del Fermilab han sido incapaces de estudiar este fenómeno y ahora es el turno del LHC. Todo indica que, si no existe el bosón de Higgs, tiene que existir algo y será encontrado por el LHC. Pero no hay que olvidar la primera opción, la Naturaleza podría ser perversa y maliciosa, podría ocurrir que nos engañemos a nosotros mismos en nuestra supina ignorancia y en realidad el modelo estándar es estable en la escala de los TeV sin ningún aditivo adicional. Lo que ocurre es que por ahora nuestras cortas miras matemáticas (perturbativas) nos impiden verlo.

Hay un detalle que no quiero dejar en el tintero. La farola del LHC tiene luz coloreada y hay colores que no se distinguen bien con dicha luz. Hay nueva física que podría estar muy oculta en las colisiones del LHC y que sería difícil de encontrar en extremo. El LHC ha sido diseñado para estudiar en detalle la escala de energías de la unificación electrodébil, pero hay detalles muy sutiles que pueden pasar desapercibidos. La mayoría de los físicos confía en que estos detalles no serán importantes, pero podrían serlo. Todas las posibilidades están abiertas ahora mismo. El LHC tras dos años de éxitos es todavía un “niño” y le queda más de un lustro para alcanzar su madurez. Todos los físicos esperamos sorpresas, grandes sorpresas.

Pero tengo que repetirlo, no me puedo contener. En mi opinión y en la opinión de la mayoría de los físicos, el bosón de Higgs existe y será encontrado por el LHC del CERN donde todo el mundo espera que esté, alrededor de los 120 GeV (como predicen los tests de precisión del modelo estándar). Todos los físicos esperamos sorpresas más allá de confirmar la existencia del Higgs. Pero todo depende de si la Naturaleza está de buenas y quiere ofrecernos algo más allá del modelo estándar, lo que creemos conocer, aunque ignoremos sus detalles. El LHC sería todo un éxito si solo se dedica a caracterizar estos detalles. No hay que olvidarlo.

Para acabar, quisiera recordar que John Ellis, el archifamoso físico de partículas, repite muchas que el bosón de Higgs puede que no exista.  John, en 1976, fue uno de los primeros en calcular los modos de desintegración del bosón de Higgs y las probabilidades de que fuera detectado en los experimentos. Su famoso artículo acababa con una frase tajante: que no se molesten los físicos experimentales en diseñar experimentos para buscar el bosón de Higgs porque no lo encontrarán, su búsqueda está más allá de las energías alcanzables en los experimentos. Lo decía a mediados de los 1970, cuando ni siquiera se había descubierto la tercera generación de partículas elementales, o los bosones W y Z. Alrededor de 1985, tras el descubrimiento de estos bosones vectoriales, la esperanza de encontrar el Higgs recayó en LEP, pues se pensaba que su masa tendría que ser similar a la de estos bosones. El Tevatrón encontraría el quark top y el neutrino tau, pero nadie pensaba que podría encontrar el Higgs. LEP 2 exploró masas para el Higgs hasta 144,4 GeV sin encontrarlo, pero dejando muy claro que es imposible que el Higgs tenga una masa menor de 110 GeV. En la pasada década el Tevatrón Run II, renovado y con el descubrimiento del quark top a sus espaldas, emprendió una búsqueda del Higgs que le ha llevado a estar a punto de descubrirlo (no es imposible pero es casi imposible que lo logre). Ahora el turno es del LHC en el CERN, que encontrará el Higgs fuera de toda duda razonable tras el análisis de las colisiones de 2012. Ahora es el momento en el que John Ellis puede sembrar la duda sobre el Higgs en todas y cada una de las charlas a las que le invitan, que no son pocas. John ya no podrá hacerlo a finales de 2012.

Ellis es para los físicos, lo más parecido a lo que Erdös fue para los matemáticos, y ya hay gente que calcula su número de Ellis a la par que su número de Erdös. Ellis acaba casi todas sus charlas con esta diapositiva (y explicando quién era Margaret Thatcher para los más jóvenes, que ya se sabe que los físicos saben poco de política).

Fuente de esta última imagen: John Ellis, “The infamous boson: from obscure curiosity to Holy Grail,” Higgs Hunting 2011, 28 July 2011 [PPT,VIDEO].

Anuncios

10 pensamientos en “¿Qué pasa si no existe el bosón de Higgs?

  1. En tono de humor, si me lo permitís, traduciré la foto:
    – ¿Qué pintas aquí?
    – Piensa en cosas por medir con la esperanza de encontrar algo diferente.
    – ¿No sería mejor cumplir con la amortización de toda esta amalgama?
    – ¡Entonces ya no nos quedaría nada que aprender!

    Lo malo de construir cosas muy grandes, en mi opinión, es cuando nos vemos obligados a tener que defender a pies puntillas opciones muy caras porque el coste ya ha sido pagado.

    A propósito, ¿os he contado alguna vez la anécdota de haberle dicho yo a un físico que para mí que los protones no existen? XD
    Ahí dejo eso. Lo bueno de estos artilugios es que sí creo que pueden servir para algo, lo malo es que no tengo nivel suficiente como para imaginarme para qué.

    Un saludo y que encontréis toda esa…, masa.

  2. Impresionante entrada y excelente resumen del apasionante panorama en física de partículas. Einstein fue una de las personas que más cerca ha estado de la mente del “creador” (entendido evidentemente como el diseño último de la naturaleza no como un ente todopoderoso ligado a religiones etc etc). Einstein se guió por unos principios de simetría para elaborar uno de los desarrollos intelectuales más grandes y profundos de la historia de la humanidad. Ahora los físicos de partículas guiados por nuevas simetrías abstractas como la simetría gauge y dotados del poder de la teoría de grupos están llegando a vislumbrar las leyes más profundas del universo. En todo este esquema la ruptura espontánea de la simetría es un proceso absolutamente fundamental, el Higgs lo explica a la perfección además de ser la predicción fundamental de una teoría verificada por millones de experimentos: el modelo estándar. Los físicos, convencidos (hay muchos indicios de ello) de la belleza y simetría de las leyes más fundamentales están convencidos de que la naturaleza utiliza el mecanismo del Higgs. La naturaleza “ha escondido” el Higgs justo en el hueco más inaccesible por nuestras “máquinas de sondear la naturaleza (el LHC) sin embargo, siempre hasta ahora la naturaleza se ha mostrado benevolente con nosotros y nos ha ido dejando que averiguemos sus secretos más profundos, todo parece indicar que ahora también lo será. Ahora, el futuro de la física y del devenir del conocimiento humano está en un punto crítico: si el LHC encuentra el Higgs en torno a 120 Gev/c2 y la naturaleza nos deja analizar el mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil o bien si se encuentran indicios de nueva física más alla del SM la ciencia podrá por fin responder a los grandes interrogantes de la física y la cosmología, si no, deberemos esperar nuevos avances matemáticos que permitan análisis perturbativos pero, esta opción siempre tiene el riesgo de que al final la naturaleza se niegue a revelarnos sus secretos y nos quedemos sin saber las respuestas.
    Más emoción imposible…

    • Lo sé, lo sé, la retórica y la divulgación científica están reñidas. Lo siento.

      He utilizado una figura retórica llamada pleonasmo. Ver wikilengua y wikipedia.

  3. Jajajaja, mi comentario en meneame ironizando sobre que estabas haciendo una porra con el rango de masas del del bosón de Higgs era cierta. Genial.
    Perdóname, Francis, lo de que posiblemente la masa sea de 144 GeV/c² era un troleo. Puse emoticones para que se comprendiera. ;)

  4. Ya el CERN declaró que lo más probable es que no exista. Luego de 16 años y 10 billones de dólares gastados en el Colisionador, han tenido que aceptar su decepcionante realidad. Los científicos ateos que desprecian a los creyentes bien harían en revisar sus propias creencias, ya que suelen tener varias, sostenidas por una fe irracional que no dista nada de una devoción religiosa.

  5. En mi opinión, la masa del Higgs debe estar entre 128 y 137 GeV/c². Si no, lo que ocurrirá es que una masa más baja implica que deben existir más partículas para estabilizar el vacío, más baja de 128 implicaría casi seguro SUSY en alguna forma, una masa por encima de 137, o más, aboca casi a un sector fuertemente acoplado del Higgs, que puede o no requerir SUSY, preones, tecnicolor o a saber…

  6. “Conocéis el chiste del borracho que perdió las llaves y se puso a buscarlas debajo de una farola? El LHC es la farola para los físicos a la hora de buscar física más allá del modelo estándar.” El problema es que como en el cuento los Físicos estan borrachos

Los comentarios están cerrados.