Una revisión informal de la historia de la partícula de Higgs

Mucha gente dice que mi blog es muy técnico y difícil de entender. La verdad es que para mí no es fácil utilizar un lenguaje sin jerga. Esta entrada es informal y muchos físicos me tirarán de las orejas, pero así es como le conté a un buen amigo, periodista, hace solo unos días, la historia del Higgs. Lo dicho, quizás os guste o quizás no.

El problema original que resolvió Higgs es teórico, buscar los límites de un teorema matemático que entonces conocían (y preocupaba a) muy pocas personas en todo el mundo, el teorema de Nambu-Goldstone. El teorema predecía que el universo estaba plagado de partículas sin masa que nadie había observado. Si así fuera, no existiríamos, pero como existimos, tenía que haber una puerta trasera para salir del entuerto. Planteado alrededor de 1960, la solución se obtuvo en 1964 (por los pocos a los que preocupaba resolver esta tontería, ex-alumnos de Nambu y Goldstone, obviamente).

Como resultado de la solución tenía que existir una partícula (la de Higgs), pero no importaba que nadie la hubiera observado porque su masa era arbitraria y por tanto podía ser tan grande que no afectase en nada en absoluto a toda la física conocida entonces. Problema resuelto, todos nosotros podíamos existir (bueno, ya existíamos, pero me entendéis…)

Para qué servían estas ideas. Para nada. Una chorrada técnica más. Hasta que dos alumnos de Goldstone, llamados Weinberg y Salam aplicaron en 1967 la idea de Higgs a una teoría propuesta por Glashow en 1961. Nadie les hizo ni caso. Imaginaos qué chorrada. Puro exotismo teórico. De hecho, Weinberg abandonó esta línea de trabajo porque no llevaba a ninguna parte y se puso a trabajar en cosmología; muchos habréis leído su famoso libro de divulgación “Los tres primeros minutos del universo.”

Pero resulta que en 1971 uno de los pocos que trabajaban en estas chorradas (había poquísimos en todo el mundo), le mandó a uno de sus alumnos, uno de los mayores genios de la historia reciente, ‘t Hooft, que resolviera un sencillo ejercicio: demostrar lo que todo el mundo sabía, que la teoría de Weinberg-Salam-Glashow era incorrecta y no servía para nada (en lenguaje técnico que no era renormalizable). El ejercicio de Veltman estaba orientado a entrenar a ‘t Hooft en el estudio de la renormalizabilidad de la gravedad cuántica para un gravitón masivo (problema mucho más duro que también resolvió el chaval, que hoy ya es Premio Nobel).

La enorme sorpresa fue que la teoría era renormalizable (gracias a las técnicas inventadas por Veltman y a que ‘t Hooft utilizó un programa de ordenador para hacer los cálculos, el mismo que ahora, mejorado, utilizan muchos físicos jóvenes). Gracias a esta propiedad se podían realizar cálculos con la teoría de Weinberg-Salam-Glashow (antes la teoría no servía para nada porque nadie podía calcular nada con ella). Lo maravilloso fue que los cálculos coincidían con la realidad. En 1973 ya se sabía que tenía que ser la teoría correcta, porque era la única que describe todo lo que conocemos, la única capaz de hacerlo, entonces y ahora, porque aún sigue siéndolo.

Poder calcular las predicciones de una teoría es maravilloso porque permite demostrar que la teoría es incorrecta. Se calcula todo lo que predice, se comprueba que falla y listo, ya nos podemos poner manos a la obra y desarrollar una teoría mejor. Pero aquella teoría, llamada modelo estándar, no ha fallado nunca.

Nunca quiere decir nunca. Eso sí, la teoría permite añadir o quitar ciertas cosas. Los neutrinos pueden tener masa o no tenerla. La navaja de Ockham prefiere que no la tengan, pero nada prohíbe que la tengan. Cuando se descubrió que la tenían, pues nada, ningún problema se mete y punto (todavía no sabemos bien cómo hacerlo porque hay dos opciones, que los neutrinos sean partículas de Dirac o de Majorana, pero no importa en esta historia).

Sin embargo,  también hay cosas que no podemos poner o quitar a la ligera. Una de ellas es el llamado mecanismo de Higgs. Sabemos que existe, está demostrado en los experimentos y funciona a las mil maravillas. En palabras sencillas este “mecanismo” es equivalente a que, a baja energía el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil están separadas, pero a alta energía están unificadas. Más de 40 años de experimentos (más o menos desde 1973) lo han demostrado fuera de toda duda. A baja energía son dos fuerzas separadas. A alta energía son una única fuerza. Estoy simplificando las cosas, pues a alta energía son también dos fuerzas, pero otras dos diferentes que a baja energía; los detalles no son importantes y el nombre que se usa es fuerza electrodébil, que alude a una unificación con “pegamento” (el mecanismo de Higgs).

La versión más sencilla del mecanismo de Higgs (la original de 1964) predice la existencia de una partícula, el bosón de Higgs. Hay versiones más avanzadas que predicen varios bosones de Higgs, e incluso que no predicen ninguno. Bastan pequeños retoques en la teoría (“pequeños” quiere decir que ha costado 40 años dominarlos a la perfección y que los físicos teóricos jóvenes si no los dominan suspenden los exámenes y no reciben su título universitario).

El mecanismo de Higgs es maravillosamente simple pues solo tiene un parámetro libre (en su versión mínima) y todo se calcula a partir de dicho número. Solo un número. ¡Qué maravilla! ¿Cuál es ese número? El número mágico es la masa del bosón de Higgs. Este número puede ser cero, infinito o cualquier otro número. Bueno, ya Higgs sabía en 1964 que no es cero (no existiríamos) y que el número más grande posible es la masa más grande compatible con el modelo estándar, la masa de Planck. Pero para la teoría da lo mismo que el número sea 1 GeV, 100 GeV, 10 TeV, o 1019 GeV (la masa de Planck). He dicho para la teoría, pero no para el experimento.

La existencia del Higgs influye en las demás partículas y esa influencia permite saber más o menos cuál es su masa. Alrededor de 1985 se pensaba que la masa estaba entre 1 GeV (0,001 TeV) y 10.000 GeV (10 TeV), por eso el SSC (Superconducting Super Collider) se diseñó para alcanzar colisiones hasta 40 TeV. En 1995 (tras el descubrimiento del quark top) se pensaba que la masa estaría entre unos 10 GeV y unos 1000 GeV. Por la parte baja, unas decenas de GeV, se pensaba que LEP y luego LEP 2 podrían descubrirlo, pero al final solo descubrieron que la masa es mayor de 114,4 GeV. Por la parte alta, se diseñó el LHC con colisiones hasta 14 TeV para poder explorar hasta los 2000 GeV y se pensaba que el Tevatrón con colisiones de casi 2 TeV podría descubrir el Higgs con una masa hasta unos 200 GeV. No fue así. Resulta que el Higgs tiene una masa alrededor de 120 GeV, la región inalcanzable para LEP2 y la región más difícil para el Tevatrón.

El LHC ha tenido suerte, dentro de la mala suerte que es tener un accidente gravísimo como el de 2009. Funcionando a medio gas, con colisiones a 7 TeV hasta 2011 y a 8 TeV en 2012 puede descubrir un Higgs con una masa alrededor de 120 GeV en poco tiempo (solo unos años). Además, está funcionando a las mil maravillas. Este año, el LHC está explorando el rango de masas entre 110 y 800 GeV. El año pasado explorando entre 100 y 600 GeV observó una señal alrededor de 125 GeV. Si se confirma, conoceremos ese parámetro que nos falta, la masa del bosón Higgs (o de uno de los bosones, pues solo importa que sea el que menos masa tenga, con eso basta para que todo funcione a las mil maravillas).

¿Cuántas colisiones hay que analizar en el LHC para descubrir el Higgs? El número es “fácil” de calcular (un físico teórico joven debería ser capaz de calcularlo tras unas semanas de trabajo hasta segundo orden (de la teoría de perturbaciones), es decir, hasta NLO). Por supuesto, calcular a tercer orden NNLO (u otros cálculos más avanzados, como los NLL) son temas de investigación en la actualidad; para sorpresa de muchos, yo entre ellos, los cálculos NLO y NNLO difieren casi en un 50% cuando se esperaba una diferencia menor del 5%. No es que sea difícil realizar estos cálculos, pero requiere mucho tiempo de ordenador, mucho tiempo, y por tanto se requiere cierta “experiencia” para guiar los cálculos del ordenador y hacerlos en un tiempo razonable.

Cuando se realiza este cálculo (que a NLO está publicado por doquier) lo que se descubre es que aún no hay colisiones suficientes para un descubrimiento (del bosón de Higgs del modelo estándar mínimo). Hay muchos primos del bosón de Higgs para los que sí hay colisiones suficientes y muchos otros para los que nunca habrá colisiones suficientes en el LHC.

¿Qué se dirá el 4 de julio? No lo sé. Pero quien piense que se publicará el descubrimiento definitivo del Higgs debe saber que no puede ser el Higgs del modelo estándar, será uno de sus primos. La estadística nunca miente. Siento decepcionarte, pero no quiero engañarte. El anuncio no será más gordo que el de diciembre de 2011. La razón es muy sencilla, se han analizado un número insuficiente de colisiones para asegurar 100% un descubrimiento. A lo más, se ratificará la señal ya observada, lo que para los físicos es muy importante, pero recuerda mis palabras, desde el CERN en la rueda de prensa dirán que todavía no se puede asegurar al 100% que el Higgs existe.

Hay muchos rumores, pero siendo realistas, 5 sigmas de significación local no es suficiente para que los directores del CERN proclamen un descubrimiento. Ellos son así. No quieren volver a cometer el error de Carlo Rubbia en 1984 (cuando proclamó con un número de colisiones insuficiente que el quark top había sido descubierto con una masa de unos 40 GeV). La significación global es imposible que alcance 5 sigmas, los números no salen (esto es como sumar 2+2, por mucho que quieras no da 22), al menos antes de diciembre de 2012 (y siempre que todo vaya viento en popa y a toda vela en el LHC; crucemos los dedos).

Recuerda que esto es como cuando se supo que la Tierra era “redonda” y se le podía dar la vuelta. Maravilloso. Un gran descubrimiento. Pero hasta que alguien no intentó darle la vuelta no se hicieron descubrimientos de verdad. Aquí pasa lo mismo. Una partícula que parece ser el Higgs es solo eso, un candidato a ser el Higgs. Estudiar su física en detalle requiere una fábrica de Higgs que produzca miles al año (no bastan unos pocos, menos que los dedos que tenemos para contarlos).

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19 pensamientos en “Una revisión informal de la historia de la partícula de Higgs

  1. Excelente entrada Francis, es imposible explicarlo mejor, enhorabuena.
    Sobre las expectativas de lo que cabe esperar el día 4 en mi opinión son inmejorables: nos dices que el día 4 es imposible que se anuncie el descubrimiento del Higgs del SM puesto que no se puede alcanzar 5 sigmas de significación GLOBAL, pero que si se anuncia un descubrimiento sería de un Higgs no estándar. Entonces pienso hay 3 posibilidades para el próximo Miércoles:
    1º) Que se presenten los datos individuales por experimento del 2012 que alcanzarían aproximadamente una significación estadística similar al año pasado (3 sigmas y pico creo) y nada más. Este sería el escenario más pesimista (aunque quizás el más probable) aunque Gibbs publique enseguida su gráfica no oficial con los datos combinados que SI alcanzarían las 5 sigmas.
    2º) Que se presenten los datos individuales del 2012 y los combinados con el 2011 que probablemente si mostrarían 5 sigmas de confianza. Esto si no me equivoco no sería un descubrimiento oficial aunque si oficioso del Higgs. Francis una duda: Para un descubrimiento oficial ¿se necesitan 5 sigmas por experimento o 5 sigmas combinadas? ¿O depende de lo que estimen necesario las autoridades del CERN? En teoría con 5 sigmas combinadas ¿sería suficiente no?
    3º) Que los rumores sean ciertos y se anuncie el descubrimiento de un Higgs NO ESTÁNDAR. Este quizás sea el menos probable, pero si se produce sería uno de los mayores descubrimientos de la historia de la física ya que sería la puerta a la tan ansiada “nueva física”. Esto explicaría por que los rumores empezaron tan pronto: la señal en el canal difotónico sería mucho mayor de la esperada (la predicha por el SM).
    Sea lo que sea lo que anuncien será algo importante: las 2 primeras significarían un descubrimiento oficioso del Higgs y la tercera implicaría una enorme revolución en la física.
    Se abren apuestas: ¿Quién quiere apostar?

    • A por supuesto me he comido una 4ª opción:
      4º) Que la señal de 125GeV desaparezca o disminuya. Esto también produciría una revolución pero una que tardaría muchos años en producirse ya que había que buscar Higgs exóticos o buscar otro mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil.

  2. Pues que te perdonen todos los físicos del mundo (ya pongo yo las orejas si hace falta), pero un “ignorante físico” como yo te lo agradece enormemente (para que te animes a meter algún post de estos “para tontos”, digo).

  3. Francis, loable intento, pero la verdad es que sin comprender las matemáticas que hay detrás y su interacción con la realidad física (experimentos), es decir básicamente QFT (y por descontado QM), nadie puede pretender comprender lo que es el Higgs.

    Y realmente estas matemáticas (QFT) tampoco son tan complicadas. Aquellos interesados en profundizar deben de leer esta entrada de Mathoverflow:

    http://mathoverflow.net/questions/94014/mathematical-foundations-of-quantum-field-theory.

    Muchos (algunos) de los libros de los que hablan son accesibles en PDF gratis.

    P.s. Planck, en este enlace contesta a tus preguntas sobre combinaciones un insider de uno de los experimentos: http://www.quantumdiaries.org/2012/06/28/why-we-shouldnt-combine-higgs-searches-across-experiments/ (visto en NEW). Lubos ha realizado una entrada sobre esto. Y cómo Lubos, Philip, Jester y ¿Dorigo? ya dan por descontado que hay algo y en sus nuevos enlaces exploran el asunto de si será un SM Higgs u otra cosa.

    • Gracias proaonuiq por el enlace, no había leído ese post de Lubos. En mi opinión inexperta Lubos tiene toda la razón en este caso: http://motls.blogspot.com.es/2012/06/why-we-should-combine-higgs-searches.html#more
      El tal Randle Conde afirma que no se deben combinar los resultados principalmente por 2 razones: no hay ninguna prisa por descubrir el Higgs y por que al combinar resultados perdemos la función de chequeo de errores que es el motivo por el que hay 2 detectores independientes. Estos motivos son a todas luces irracionales y claramente están escritos para no disgustar a sus jefes, como Lubos argumenta, combinar los datos no menoscaba para nada la calidad de los resultados y no se pierde la función de vigilancia de errores ya que si el exceso es visto en ambos detectores con una similar significancia es evidente que no hay ningún problema. Además, realizar la combinación es absolutamente necesario y es la obligación de los científicos del CERN que deben realizar todos los cálculos estadísticos necesarios que sean relevantes para averiguar la verdadera significancia de la señal. Respecto a si la convención oficial es 5 sigmas por experimento o 5 sigmas combinadas para hacer un descubrimiento aún no lo tengo claro, Lubos dice que el quark top fue anunciado con 5 sigmas combinadas asi que supongo que lo de lograr 5 sigmas por experimento solo es para dar más seguridad aún.

      • cinco sigmas, independientemente de que sean de un experimento o de la combinación, indicarían descubrimiento. Pero es importante que los dos experimentos sean consistentes entre sí, que no se contradigan. Pero, lo dicho, cimco sigmas es decubrimiento, si los análisis están bien hechos

  4. Nadie comprende aún el campo de Higgs, porque aún ¡no hemos descubierto si existe! Cuando demostremos la existencia del campo (y de sus cuantos) de Higgs, y entendamos su funcionamiento, quizás podamos entenderle mejor.

    A este hilo y artículo de Francis, me gustaría proponeros un reto. Supongamos que se encuentra un bosón de Higgs y que la tecnología permite a los aceleradores del futuro crear millones, billones,…. de bosones de Higgs. ¿Para qué podríamos usarlo? La respuesta más obvia, como de momento ocurre con los bosones W, y Z es “para nada”. Pero hay una diferencia notable entre el campo de Higgs y los bosones vectoriales: su naturaleza es una completa incógnita (como partícula escalar “fundamental” o “compuesta” según modelo y/o teoría). Imaginad que podemos fabricar bosones de Higgses con facilidad, ¿a alguien se le ocurre para qué se podría usar un campo escalar masivo e inestable per se? ¿Nos serviría para algo ser capaces de manipular el campo de Higgs a nivel subatómico en una forma análoga a como manipulamos el campo electromagnético? Ahí dejo el reto. Nótese que es una pregunta “in the edge”. No sabemos aún para qué usar o cómo los gluones y la QCD (que explican la dinámica hadrónica) más que en la energía nuclear y en bombas, pero yo pregunto sobre cualquier tipo de aplicaciones científicas del campo escalar de Higgs. ¿Os apuntáis a un brainstorming?

    • ¿Motores de (im)pulso gravitatorio para naves interestelares? Sería el equivalente a crear un tsunami para mover un barco… aunque no tengo muy claro cómo se puede meter un generador de tsunamis en un barco para impulsarse a sí mismo… (y vale, en cualquier caso no sería muy seguro, puede que destruyéramos sistemas solares :-).

    • Buena pregunta, se me ocurre algo aunque habría que concretar los “detallitos técnicos”:
      Un campo escalar podría “a priori” crear superconductividad en un metal, en la superconductividad convencional 2 pares de e- de spin 1/2 se acoplan (pares de cooper) y crean algo similar a un campo vectorial (spin 0). Este campo produce que los fotones del campo electromagnético “adquieran masa” dentro del metal y que el campo electromagnético sea expulsado fuera del metal
      produciendo el fenómeno de la superconductividad.
      Como manipular el campo de Higgs para confinarlo en el metal, etc etc son los “detallitos técnicos”

  5. Francis, has hecho una descripción muy pedagógica, como sueles hacerlo, y es muy loable.

    Déjame que te incluya un par de comentarios:

    – Primero, que no solo es número de sucesos ( estadística) lo que cuenta, sino también capacidad para aumentar la aceptancia ( mejor conocimiento de los detectores) y disminución de la sistemática ( por el mismo motivo). De tal modo, los experimentos de LHC, combinando diferentes canales de desintegración del hipotético Higgs estándar podrían tener sensitividad suficiente o muy cercana, para dar descubrimiento. Pedro hay que esperar al día 4, los análisis aún se están discutiendo.

    – Segundo, todos los análisis se han optimizado para la búsqueda del bosón de Higgs. Pero lo más que se puede afirmar es que el resultado es compatible con el mismo. Para asegurar que es el bosón de Higgs estándar hay que estudiar con precisión sus propiedades. Ello requerirá varios años de LHC y, posiblemente, construcción y explotación del nuevo colisionador internacional ILC

    Un saludo

    Alberto

  6. Aqui se equivoco el amigo Francis. No tiene nada de malo errar..

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