MW: El bosón de Higgs: preguntas y respuestas

A estas alturas lo sabe hasta mi perro: muy probablemente se ha confirmado la existencia del bosón de Higgs. El lenguaje de los científicos involucrados es cautelosísimo, en un momento hablamos del porqué, pero la cosa tiene muy buena pinta. Como digo, esto no es ya noticia para casi nadie, y no lo escribo como tal ni mucho menos; lo hago porque me habéis mandado tal cantidad de correos que si no escribo algo me corréis a gorrazos.

De modo que voy a intentar, sin alargarme mucho, hacer una especie de lista de preguntas-respuestas breves para que todo hijo de vecino se entere de qué diablos hemos descubierto, cómo lo hemos hecho, por qué tanta cautela, qué importancia tiene esto, etc. Si alguien pregunta algo nuevo y sé contestar, tal vez lo añada (si merece la pena hacerlo, claro). Vamos con ello.

¿Qué es el bosón de Higgs?

Aquí, afortunadamente, tengo hechos los deberes. Hemos hablado del bosón de Higgs en la serie Esas maravillosas partículas, y si no has leído ese artículo en concreto te recomiendo que lo hagas cuando termines éste (o incluso antes de seguir, si tienes paciencia). El resto de la serie no viene mal para comprender el Modelo Estándar de la física de partículas a la que pertenece el bosón, aunque repetiré los conceptos fundamentales aquí.

Si no tienes ninguna paciencia, dicho mal y pronto, el bosón de Higgs era la única partícula elemental predicha por nuestro modelo actual de física de partículas que no habíamos detectado hasta ahora; de acuerdo con ese modelo, es la responsable de la existencia de la masa. Pero, insisto, mejor lees el artículo entero.

¿Qué experimentos se han realizado para detectarlo?

El bosón de Higgs es una partícula extraordinariamente inestable: no existe durante más que una infinitésima de segundo. Por lo tanto, no podemos observarlo directamente. Observamos más bien otras cosas que suceden cuando un bosón se desintegra. La situación es parecida a la siguiente (y, lo reconozco, estúpida) analogía: imagina que en un bosque creemos que puede haber un oso, pero es un oso invisible. No podemos verlo jamás, pero tal vez podemos detectar sus rastros, excrementos, etc. Sólo que los “excrementos” de una partícula elemental son bastante más sutiles que los de un oso.

De acuerdo con el Modelo Estándar, el bosón de Higgs puede desintegrarse en varios grupos diferentes de partículas elementales (y algunas de ésas son también inestables y se desintegran en otras, etc.). Por ejemplo, puede desintegrarse para dejar dos fotones de muchísima energía, o en dos bosones Z, o en dos bosones W.

Higgs, experimento fotones
Experimentos con emisión de dos fotones: la diferencia entre la línea roja sólida y la punteada indica la masa más probable del bosón detectado (CMS/CERN).

De modo que en los últimos años los científicos del CERN han estado realizando multitud de experimentos haciendo impactar partículas subatómicas a velocidades tremendas, esperando que en algunas de esas colisiones se produjera, durante una fracción de segundo, un bosón de Higgs. Mientras hacían colisionar esas partículas, sus detectores estaban ojo avizor para observar las partículas secundarias resultantes de la desintegración del bosón: dependiendo de qué partículas y con qué características –naturaleza, velocidad, etc.– es posible predecir la masa de la partícula que, al desintegrarse, les dio lugar.

El problema está en que, a diferencia de los excrementos y el oso, las partículas detectadas pueden deberse a multitud de causas, no sólo al bosón, y los detectores no siempre ven todo lo que deben ver. Por eso se realizan tantísimas pruebas: para descartar “ruido” debido a razones diversas y tener así una muestra estadística suficientemente grande como para estar seguros de que no estamos hablando de una casualidad.

¿Cuál ha sido el resultado? ¿Qué quiere decir eso de cinco sigma?

El resultado ha sido la detección de un bosón con una masa de unos 125 GeV/c² (unos 7·10^-17 kg) y una certeza estadística de cinco desviaciones típicas (5 σ, por la letra griega que representa la desviación típica). Dicho en cristiano, hemos detectado con casi total probabilidad un bosón gigantesco y nunca visto hasta ahora –de unas ciento treinta veces la masa del protón y con una probabilidad de error de una entre tres millones–.

Esta es la conclusión derivada de los experimentos de detección de distintas partículas, como he descrito arriba; cada uno de los experimentos individuales tiene resultados y probabilidades diferentes, pero varios de ellos muestran la presencia de un bosón muy masivo y la masa de ese bosón es prácticamente la misma en cada experimento independiente. La probabilidad de que experimentos tan distintos coincidan tantísimo en su resultado como fruto de la casualidad es minúscula.

Lo de las cinco sigmas tiene que ver con la desviación típica, que a su vez tiene que ver con la distribución normal y la estadística. Es algo que aparece aquí por el gran número de experimentos realizados y la naturaleza estadística del asunto, y es algo habitual en experimentos de este tipo. Puedes leer una buena explicación de este asunto en esta entrada de Kanijo.

Sigmas
Probabilidad de presencia de un bosón de 125 GeV/c². Cada color excepto el negro representa el resultado de los experimentos con un par diferente de partículas de desintegración. Cuanto más hundida la gráfica, mayor probabilidad. La gráfica negra es la combinación de todas las demás (CMS/CERN).

En cualquier caso, sin preocuparnos de las matemáticas, permite que lo traduzca sin la cautela de los científicos involucrados: hemos “visto” (hasta donde puede ser visto) un bosón de masa 125 GeV/c². Además, hace falta tener en cuenta dos cosas:

Esa masa es compatible con las predicciones teóricas del bosón de Higgs del Modelo Estándar.
No tenemos ninguna otra explicación más razonable de la presencia de este bosón nuevo tan gigantesco en los experimentos que la existencia bosón de Higgs.

Más claro, agua.

¿Por qué tanta cautela entonces? ¿Por qué tanto “probablemente”, “compatible con”, etc.?

Porque esto no es pseudociencia. Porque las carreras de muchos científicos se irían al traste si lanzaran las campanas al vuelo sin tener mayor certeza de la que tienen y luego resultan estar equivocados. Porque sería deshonesto no decir la verdad, aunque suene poco impresionante.

Pero vamos: hemos visto excrementos como los de un oso. Hemos oído ruidos osunos por la noche, y hemos visto huellas como las que dejarían las patas de un oso. No hemos visto el oso, porque no podemos verlo, pero un oso dejaría esos rastros, y nadie tiene ni idea de qué otra cosa podría producir esto si no es un oso. De modo que, hasta nueva orden, pensamos que en el bosque hay un oso.

Incluso aunque no fuera exactamente el oso que teníamos en mente –aunque tiene pinta de que sí–, tiene que ser algo lo suficientemente parecido como para producir todos los rastros compatibles con nuestro oso teórico, y eso de por sí es un notición.

Sé que toda esta cautela puede resultar frustrante, pero en parte es la grandeza de la ciencia: nunca estamos seguros de nada excepto del hecho de que no estamos seguros. Pero es muy probable que el bosón de Higgs exista. En parte, la causa de tanta inseguridad es el hecho de que la física moderna estudia cosas tan alejadas de nuestros sentidos y de las escalas de tiempo y distancia que podemos percibir que todas nuestras observaciones son indirectas, a veces en más de un grado, con lo que es dificilísimo realizar afirmaciones tajantes.

En el futuro, según realicemos más experimentos y construyamos detectores más poderosos, podremos alcanzar mayor certeza, pero la certeza absoluta es lo más contrario a la ciencia que se puede imaginar.

¿Por qué es esto tan importante? ¿No confirma algo que ya pensábamos?

Sí, pero insisto: ésta es parte de la grandeza de la ciencia. No decimos cosas a la ligera, y llevábamos muchos años esperando algo como esto. Tan importante es el establecimiento de una hipótesis como la realización de experimentos que la descarten o refuercen.

El Modelo Estándar predice tan, tan bien tantísimas de las cosas que vemos que resultaba enormemente frustrante no haber detectado todas las partículas que predecía. Llevamos décadas hablando de él con la coletilla de “… bueno, todas excepto el bosón de Higgs, claro”, sin los aceleradores necesarios para llegar hasta donde necesitábamos para poder confirmar o descartar su existencia y, con ella, el Modelo y sus diversas variantes.

La importancia es, por tanto, que se ha confirmado el Modelo Estándar, el aparato teórico más complejo y más profundo creado por la mente humana. No, esto no tiene aplicaciones prácticas inmediatas. No, esto no va a cambiar nuestra física, sino que va a confirmar la que llevamos décadas postulando como hipótesis –hasta donde puede ser confirmada, probablemente, bla bla blah–. Sin embargo, da una solidez a nuestro conocimiento que no teníamos antes.

Además, la cosa no acaba aquí ni se acaba el interés con este descubrimiento: hay varios posibles Higgs predichos por nuestra física, y hay varios modelos además del Estándar que predicen un bosón de Higgs. Pero nos hemos quitado de un plumazo un buen puñado de otros modelos que no lo predecían, y ahora podemos enfocar nuestra atención en lo que sí es compatible con estos experimentos y con la existencia del elusivo bosón.

Y, aunque no se tratase del bosón de Higgs, seguiría siendo un bosón nuevo y jamás visto hasta ahora. De modo que la importancia, independientemente de más confirmaciones de su naturaleza, es tremenda.

¿Qué va a pasar ahora entonces?

Si te fijas, siempre he estado hablando de la masa del bosón detectado indirectamente… porque es básicamente lo único que conocemos de él, aparte del hecho de que es un bosón. El bosón de Higgs tiene más características predichas aparte de su masa y carácter bosónico, de modo que tenemos que realizar otros experimentos que comprueben otras características y ver si coinciden con lo que debería ser, y si es compatible con el Modelo Estándar a secas o con alguna de sus posibles ampliaciones.

En otro orden de cosas, los designios de la Academia son inescrutables, pero si en breve no hay un Nobel conjunto y Peter Higgs no forma parte de él, me como el sombrero. Y luego me compro otro sombrero y me lo como de postre. Cuando he visto a Higgs en la televisión con lágrimas cayendo por las mejillas se me han empezado a saltar a mí también, ¡me hago viejo!

En mi opinión, en cualquier caso, lo más relevante no es tanto un descubrimiento que casi todos considerábamos muy probable y para el que sólo hacía falta tiempo. Es el propio proceso: la elaboración de hipótesis, la discusión entre todos, la predicción, el diseño de experimentos que descarten o no… el desentrañamiento, lento, laborioso pero divertidísimo, de los secretos del Universo. Mi humildísima enhorabuena al señor Peter Higgs y a todos los involucrados. Me enorgullece pertenecer a la misma especie que ustedes, señores.

Para saber más: