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Mucho se ha hablado durante los últimos meses sobre posibles indicios de la existencia del Bosón de Higgs en los resultados presentados en el CERN por ATLAS y CMS, los dos grandes experimentos del acelerador LHC (Gran Colisionador de Hadrones). A partir de dichos resultados no podemos extraer conclusiones definitivas acerca de su existencia o no existencia, pero estamos seguros de que la próxima temporada de toma de datos en el LHC, entre abril y octubre de 2012, servirá para aclarar definitivamente este misterio.

Los dos experimentos de LHC, ATLAS (Aparato Toroidal del LHC) y CMS (Solenoide Compacto de Muones), están formados por dos grandes colaboraciones científicas internacionales, que han sido responsables de diseñar, construir y explotar el potencial científico de sus gigantescos detectores de partículas. Estos experimentos están tomando datos desde la entrada en operación de LHC, hace ahora un par de años. A finales de 2011 ambas colaboraciones hicieron públicos los resultados obtenidos hasta la fecha en la búsqueda del Bosón de Higgs, una de las partículas más esquivas que predice nuestro modelo actual sobre la composición fundamental de la materia que nos rodea: el “Modelo Estándar”. Con el equilibrio que proporciona disponer de una perspectiva temporal de varias semanas desde la presentación de esos resultados, y el saber que todos los aspectos del análisis han sido exhaustivamente revisados y están a punto de ser publicados en las revistas especializadas (que tanto ATLAS como CMS presentan por separado sus resultados), es éste un buen momento para recapitular dónde estamos y cuáles son las previsiones para 2012. El CIEMAT forma parte de CMS desde hace más de una década, y ha jugado un papel muy importante en la construcción y puesta a punto del sistema de detección de muones del experimento. Un amplio equipo de investigadores de la División de Física Experimental de Altas Energías está participando en la actividad de análisis de datos relacionada con la búsqueda del Bosón de Higgs.

 Hace ya más de 40 años desde que el “Mecanismo de Higgs”, postulado por Peter Higgs y otros físicos teóricos, permitió alcanzar una descripción unificada de dos interacciones fundamentales que hasta la fecha se creían independientes: la interacción electromagnética y la interacción débil. Este mecanismo teórico consigue explicar por qué las partículas elementales tienen masas tan diferentes unas de otras. De comprobarse su existencia, en su versión más simple el campo de Higgs implicaría la existencia de al menos una partícula de spin cero, el Bosón de Higgs. Las propiedades de esta partícula están bien definidas, pero el valor exacto de su masa aún es una incógnita. Durante la época de LEP (Gran Colisionador de Electrones y Positrones, un acelerador previo que operó en el CERN en la década de los 90), el Bosón de Higgs fue buscado de forma exhaustiva sin hallar rastro alguno de su existencia. Esa falta de evidencia experimental permitió poner unas cotas a los valores posibles de la masa del bosón de Higgs: caso de existir, su masa debería ser superior a 114 GeV. 

Las nuevas energías disponibles en el LHC han permitido reiniciar la búsqueda del Bosón de Higgs para masas más altas. Gracias al excelente funcionamiento, tanto del acelerador como de los detectores, en el año 2011, se ha podido acumular una importante muestra de datos experimentales a analizar. El proceso de análisis es muy complejo, ya que el Bosón de Higgs, en caso de existir, es una partícula con una vida media extremadamente corta que se desintegra nada más producirse en una cascada de partículas distintas. Dependiendo de su masa, los modos de desintegración del Bosón de Higgs serán muy distintos. Por lo tanto, son muchos los modos de desintegración a estudiar y muy diversas las posibles contribuciones al ruido de fondo que hay que tener en cuenta. La interpretación de los resultados debe, además, incorporar de forma correcta en el análisis los procedimientos estadísticos adecuados, y muy especialmente en los casos en los que la estadística de datos disponible es limitada. Términos como significación estadística alcanzan todo su sentido cuando se discute si debemos considerar una posible señal en los datos como una indicación, una evidencia o un descubrimiento.

Intentando utilizar términos que todo el mundo pueda entender, sin perder el rigor que debe acompañar a toda la interpretación científica, a día de hoy sólo es posible concluir que, caso de existir, el Bosón de Higgs no podría tener una masa superior a 127 GeV (para ser más preciso, la región entre 127 GeV y 600 GeV está excluida al 95 % de nivel de confianza, y por encima de 600 GeV un Bosón de Higgs sería inconsistente con el Modelo Estándar). Los resultados de LEP, y los del LHC, dejan pues solamente una pequeña ventana en la que la masa del Bosón de Higgs podría esconderse, entre 114 y 127 GeV. Para poder cubrir completamente ese rango y, en caso de que no exista, descartar su existencia sin ambigüedad, haría falta una cantidad de datos unas tres veces superior a la estadística actual. Y ése es precisamente el objetivo en el año 2012.

En estos momentos el LHC está en parada técnica, y en fase de preparación para el reinicio de la toma de datos. Hace pocos días se tomó la decisión de aumentar la energía de las colisiones hasta 8 TeV, frente a los 7 TeV con los que se habían tomados datos hasta la fecha. En estas nuevas condiciones, una estadística de 15 a 20 inversos femtobarn por experimento, tres o cuatro veces la acumulada a finales de 2011, es fácilmente alcanzable salvo que surja algún problema técnico imprevisto. Parece pues que por fin podremos resolver el dilema de si existe o no el Bosón de Higgs del Modelo Estándar. Será el experimento, como siempre ocurre en la física, quien tenga la última palabra. La famosa búsqueda que algunos definieron como la de una aguja en un pajar está, ahora sí, a punto de concluir.

IMAGEN 1: Vista del detector CMS durante la instalación del detector interno de trayectorias o "tracker". El tracker del CMS es el mayor detector de silicio del mundo.

IMAGEN 2: Vista superior de dos de las secciones o "ruedas" que forman el detector central del experimento CMS.

IMAGEN 3: Vista de una de las secciones del detector central completa. Los detectores de color plateado insertados entre los soportes rojos forman parte del detector central de muones del CMS. Más de la cuarta parte de esas cámaras fueron construidas en el CIEMAT.

IMAGEN 4: Varios miembros de la colaboración CMS posan junto al mural fotográfico a escala real del detector CMS instalado en uno de los edificios del CERN.

IMAGEN 5: Reconstrucción de una colisión registrada por el detector CMS, donde podemos encontrar un candidato a Bosón de Higgs desintegrándose en dos bosones Z, y cada uno de ellos a su vez desintegrándose en 4 muones de alta energía (correspondientes a las trayectorias rojas).