El bosó de Higgs

Tu i tot allò que t'envolta esteu fets de partícules. Però quan l'univers va començar, cap partícula no tenia massa; totes elles corrien a tota velocitat a la velocitat de la llum. Les estrelles, els planetes i la vida només podrien emergir perquè les partícules van obtenir la massa d'un camp fonamental associat amb el bosó de Higgs. L'existència d'aquest camp de subministrament de massa es va confirmar el 2012, quan es va descobrir la partícula del bosó de Higgs al CERN.

Què és el bosó de Higgs?

A la nostra descripció actual de la Natura, cada partícula és una ona en un camp. L'exemple més conegut d'això és la llum: la llum és simultàniament una ona al camp electromagnètic i un corrent de partícules anomenades fotons. En el cas del bosó de Higgs, el camp era primer. El camp de Higgs va ser proposat el 1964 com un nou tipus de camp que omple tot l'Univers i dóna massa a totes les partícules elementals. El bosó de Higgs és una ona en aquest camp. El seu descobriment confirma l'existència del camp de Higgs.

 Clic per engrandir. Vista artística del camp de Brout-Englert-Higgs Crèdit: CERN

Com obtenen massa les partícules?

Les partícules obtenen la massa en interactuar amb el camp de Higgs; no tenen una massa pròpia. Com més fort interactua una partícula amb el camp de Higgs, més pesada és la partícula. Els fotons, per exemple, no interactuen amb aquest camp i, per tant, no tenen massa. Tot i això, altres partícules elementals, incloent electrons, quarks i bosons, interactuen i per tant tenen una varietat de masses. Aquesta interacció de lliurament de massa amb el camp de Higgs es coneix com el mecanisme de Brout-Englert-Higgs, proposat pels teòrics Robert Brout, François Englert i Peter Higgs.

Clic per engrandir. Carta que mostra les partícules del Model Standard. Crèdit: CERN

Com descobrim el bosó de Higgs?

El bosó de Higgs no pot ser "descobert" o trobar-lo en algun lloc, però ha de ser creat en una col·lisió de partícules. Un cop creat, es transforma, o "decau", en altres partícules que es poden detectar als detectors de partícules.

Els físics busquen rastres d'aquestes partícules a les dades recollides pels detectors. El desafiament és que aquestes partícules també es produeixen en molts altres processos, a més a més el bosó de Higgs només apareix en aproximadament una de cada mil milions de col·lisions del LHC. Però una acurada anàlisi estadística d'enormes quantitats de dades va descobrir el feble senyal de la partícula el 2012.

Clic per engrandir. Experiment CMS al LHC del CERN el 13 de maig de 2012. Crèdit: CERN.

Com sabien els físics que era el Higgs?

El 4 de juliol del 2012, les col·laboracions d'ATLAS i CMS van anunciar el descobriment d'una nova partícula en un auditori ple al CERN. Aquesta partícula no tenia càrrega elèctrica, era de curta durada i es va desintegrar en formes que era el bosó de Higgs, segons la teoria. Per confirmar si realment era el bosó de Higgs, els físics necessitaven verificar el seu espín (el bosó de Higgs és l'única partícula que té un espín de zero). En examinar dues vegades i mitja més dades, van concloure el març del 2013 que, de fet, s'havia descobert algun tipus de bosó de Higgs.

Què hem après des del descobriment del bosó de Higgs?

Descobrir el bosó de Higgs va ser només el començament. En els deu anys transcorreguts des de llavors, els físics han examinat com interactua fortament amb altres partícules, per veure si això coincideix amb les prediccions teòriques.

La força d'interacció es pot mesurar experimentalment observant la producció i el decaïment del bosó de Higgs: com més pesada és una partícula, més probable és que el bosó de Higgs es descomposi o es produeixi a partir d'ella. La interacció amb els leptons tau es va descobrir el 2016 i la interacció amb els quarks superior i inferior el 2018. Però encara ens queda molt per aprendre sobre aquesta partícula elusiva.

Clic per engrandir. Detecció de la partícula als experiments ATLAS i CMS. Crèdit:CERN

Què cercarem a continuació?

Encara tenim molt per aprendre sobre el bosó de Higgs. És únic o hi ha tot un sector de partícules de Higgs? Ajuda a explicar com es va formar l'univers, amb la matèria triomfant sobre l'antimatèria? Obté la massa interactuant amb si mateix d'alguna manera? I per què la seva massa és tan petita, cosa que suggereix l'existència d'un mecanisme completament nou. Es podria trobar matèria fosca i altres partícules noves gràcies a les interaccions amb el bosó de Higgs?  Deu anys després del descobriment, el viatge gairebé no ha començat.

Com afecta el bosó de Higgs la vida quotidiana?

El bosó de Higgs té, i seguirà tenint, un impacte a les nostres vides, en formes que potser no s'hagin imaginat. És part de la resposta a per què nosaltres –i tot amb el que interactuem– tenim massa, alimentant la nostra curiositat humana natural sobre el nostre univers i com va evolucionar. En la recerca d'aquesta partícula, les tecnologies d'accelerador i detector es van portar al límit, la qual cosa va portar a avenços en la salut, la indústria aeroespacial i més.

Ho he vist aquí.