En una historia de fantasmas científicos, un destructor de átomos de EE.UU. ha hecho una importante contribución científica 3,5 años después de su cierre. Los científicos informan de que el colisionador Tevatron de Batavia, Illinois, ha proporcionado nuevos detalles sobre la naturaleza del famoso bosón de Higgs, la partícula que es clave para la explicación de los físicos de cómo otras partículas fundamentales obtienen su masa y la pieza en una teoría llamada el modelo estándar. El nuevo resultado refuerza el caso de que el bosón de Higgs, que fue descubierto en un destructor de átomos diferente, se ajusta exactamente a las predicciones del modelo estándar.
«Este es un artículo muy interesante e importante, porque es un mecanismo diferente» para sondear las propiedades del Higgs, dice John Ellis, un teórico del King’s College de Londres y del CERN que no participó en el trabajo. «Este es el canto del cisne» para el Tevatrón, dice.
El Tevatrón, un colisionador en forma de anillo de 7 kilómetros de largo en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab) en Batavia, Illinois, funcionó desde 1983 hasta septiembre de 2011. Vio indicios del bosón de Higgs, pero nunca llegó a descubrir la partícula. Ese honor recayó en los físicos que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), un triturador de átomos de 27 kilómetros de longitud situado en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cercano a Ginebra (Suiza). Anunciaron su descubrimiento en julio de 2012.
Tan pronto como los físicos del LHC descubrieron el bosón de Higgs, dieron con su masa: 125 gigaelectronvoltios, es decir, aproximadamente 133 veces la masa del protón. Pero la partícula tiene también otras propiedades características. Como todas las partículas fundamentales, el Higgs tiene una cantidad fija y cuantificada de momento angular o espín. También tiene una propiedad de simetría llamada paridad, que puede ser par o impar y que afecta, por ejemplo, a la forma en que el Higgs puede decaer en otras partículas. Según el modelo estándar, el Higgs debería tener espín cero y paridad positiva. Sin embargo, es concebible que la partícula observada pueda tener espín cero y paridad negativa o dos unidades de espín y paridad positiva. Muchos físicos estarían encantados si el bosón de Higgs tuviera esa exótica «paridad de espín», ya que apuntaría a nuevos fenómenos no predichos por el modelo estándar.
De hecho, los experimentadores que trabajan con los dos mayores detectores de partículas alimentados por el LHC -dispositivos masivos llamados ATLAS y CMS- ya han demostrado con gran certeza que el bosón de Higgs tiene espín cero y paridad. Para ello, estudiaron la desintegración del bosón de Higgs en partículas conocidas, como un par de fotones o un par de partículas masivas llamadas bosones Z. A partir de las distribuciones angulares de esas partículas hijas emergentes, los físicos fueron capaces de determinar el espín y la paridad del Higgs padre.
Los investigadores que trabajaron con los datos del Tevatrón tomaron un rumbo diferente. En lugar de estudiar las desintegraciones de los Higgs, buscaron señales de un Higgs producido en tándem con un bosón Z o un bosón W, partículas que transmiten la fuerza nuclear débil, como explican en un artículo en prensa en Physical Review Letters. (Se supone que el Higgs decae en un par de partículas conocidas como quark bottom y quark antibottom). A partir de las energías y los momentos del Higgs y su pareja, los investigadores calcularon una cantidad llamada masa invariante para el par. Si el Higgs y su pareja nacieran de la desintegración de una sola partícula madre, esta cantidad sería la masa de esa madre. En la actualidad, el Higgs y su pareja surgirían directamente del caos de la colisión de la partícula, por lo que la partícula madre es puramente hipotética.
No obstante, al calcular la masa de esa hipotética partícula madre, los investigadores pudieron probar diferentes combinaciones de espín y paridad por aproximación. Si el Higgs tuviera un espín-paridad «exótico» en lugar de las características del modelo estándar, la masa invariante observada sería mayor. Así que los investigadores que trabajan con los dos detectores de partículas alimentados por el Tevatrón -CDF y D0- buscaron tales pares de masa invariante alta. Al no encontrar ninguno, descartaron versiones aún más exóticas del bosón de Higgs. Así que, aunque los físicos del Tevatrón nunca observaron de forma concluyente el bosón de Higgs, fueron capaces de poner límites a sus propiedades.
Técnicamente, los nuevos límites del Tevatrón son ligeramente más fuertes que los límites establecidos por los experimentos del LHC, dice Dmitri Denisov, un físico del Fermilab que trabaja en D0. Pero Ellis, del CERN, dice que ATLAS y CMS ya habían resuelto esencialmente el asunto.
De hecho, los investigadores del Tevatrón perdieron la oportunidad de adelantarse a sus homólogos del LHC en el espín y la paridad del Higgs, dice Ellis. Apenas unas semanas después de que los investigadores del LHC descubrieran el bosón de Higgs, Ellis y sus colegas explicaron en un artículo cómo los equipos del Tevatrón podrían aplicar la técnica de la masa invariante a sus datos archivados para tomar la «vía rápida» para comprobar el espín y la paridad del bosón de Higgs. Por razones técnicas, la técnica sería más sensible en los datos del Tevatrón que en los del LHC, explicaron, porque el Tevatrón colisiona protones y antiprotones, mientras que el LHC colisiona protones y protones. Pero al final, el análisis del Tevatrón avanzó lentamente, ya que los miembros del equipo CDF y D0 se fueron a trabajar al LHC. «Este resultado tiene un cierto carácter de ‘nosotros también’ en lugar de ser el primero como esperábamos», dice Ellis.
Denisov está de acuerdo en que la falta de gente impidió el progreso. Señala que toda la idea podría haberse intentado incluso antes de que se encontrara el bosón de Higgs: «Si hubiera llegado a nosotros un año antes podríamos haber sido capaces de determinar el espín y la paridad del Higgs incluso antes de que se descubriera».»
Para los estudios del Higgs en el Tevatrón, «esto es básicamente todo», dice Denisov. Mientras tanto, los físicos que trabajan en el LHC pretenden sondear otras propiedades del Higgs con mayor precisión. En particular, esperan medir con una precisión de unos pocos puntos porcentuales la rapidez con la que el Higgs se descompone en diferentes combinaciones de partículas más conocidas y compararlas con las predicciones del modelo estándar. Los investigadores dicen que ese trabajo debería llevar unos 15 años.