El bosó de Higgs: què sabem i què ens queda per saber

Un nou accelerador de partícules de 90 quilòmetres permetrà conèixer més detalls sobre aquesta misteriosa partícula descoberta ara fa 12 anys

5 min
LA RECERCA DELS ORÍGENS Un científic del Centre Europeu de Recerca Nuclear en el comandament del Gran Col·lisionador d'Hadrons,  a Grenoble.

GinebraEl 4 de juliol del 2012 va concloure un periple que va durar gairebé 40 anys, d’ençà que el 1964 els físics Peter Higgs i François Englert entre d’altres, prediguessin l’existència d’una nova partícula, un bosó, que expliqués el mecanisme pel qual la resta de partícules adquireixen massa. Amb l’objectiu de trobar aquesta nova partícula, l’any 2010 es va posar en marxa l’LHC, el Gran Col·lisionador d’Hadrons, al CERN, el Centre Europeu per a la Recerca Nuclear, ubicat a prop de la ciutat suïssa de Ginebra. Situat 100 metres sota terra, aquest accelerador de partícules de 27 quilòmetres de perímetre accelera protons gairebé a la velocitat de la llum i els fa col·lidir entre si en quatre punts diferents, recreant les condicions que existien a l’Univers poc després del Big Bang i generant l’entorn propici per observar el bosó de Higgs.

La zona on s’instal·lararia el futur accelerador de partícules

Mont Blanc

Suïssa

Ginebra

Annecy

FRANçA

FCC

LHC

Mont Blanc

Ginebra

FCC

Suïssa

LHC

FRANçA

Mont Blanc

Ginebra

FCC

Suïssa

LHC

FRANçA

Només dos anys després de posar-se en marxa, van aparèixer els primers senyals de la partícula que havien predit Higgs i Englert. “Mesos abans vam veure que hi havia alguna cosa –comenta el físic David d’Enterria, investigador sènior del CERN que va participar en el descobriment–. Vam saber que l'havíem descobert un mes abans de l’anunci oficial. Va ser molt emocionant”, recorda.

Dotze anys d’aprenentatge continu

Des del seu descobriment, els experiments duts a terme a l’LHC han servit per entendre més detalls sobre aquesta partícula. Per exemple, s’ha pogut mesurar amb més precisió la seva massa, així com la manera que té d’interaccionar amb altres partícules del model estàndard, la teoria que descriu el funcionament del món subatòmic. “Amb l’LHC hem aconseguit mesures que eren impensables quan es va dissenyar, i amb precisions molt altes”, explica Enterria.

Però lluny de representar el final d’una etapa, el descobriment del bosó de Higgs va obrir la porta d'un nou univers ple d’incògnites. “Ens queda molt per conèixer. Amb l’LHC no serem capaços d’entendre com el bosó de Higgs interactua i es dona massa a si mateix, per exemple. Aquesta informació és fonamental, ja que podria tenir conseqüències inclús per estudiar l’estabilitat del mateix Univers”, comenta Enterria.

Només coneixem un 5% de l’Univers

Del que estem segurs és que sabem molt poc sobre el nostre propi Univers. La matèria ordinària que conforma el nostre entorn representa només el 5% del contingut total del Cosmos. El 95% restant és completament desconegut. D’una banda, existeix un tipus de matèria que afecta el moviment de les galàxies i que està composta d’elements diferents dels que coneixem. Aquest tipus de matèria rep el nom de matèria fosca, perquè no interacciona amb la llum. Tres quartes parts de l’Univers, però, les compon l’energia fosca, una mena d’energia que ompliria tot l’espai i que provoca que l’Univers no tan sols s’estigui expandint, sinó que cada cop ho faci més de pressa.

L’energia i la matèria fosques representen dues de les grans incògnites que els futurs experiments de l'LHC intentaran adreçar. Però per explorar les regions més íntimes del món subatòmic i entendre totes aquestes qüestions necessitem nous experiments que siguin capaços de produir més col·lisions amb una energia encara més elevada. “Per entendre tots aquests detalls cal una màquina més gran i potent”, declara l’investigador del CERN.

La imprescindible contribució catalana

En els diferents projectes en què està participant el CERN, incloent-hi el FCC, destaca la contribució dels diferents grups de recerca presents a Catalunya. “Històricament, tenim una molt bona formació acadèmica en física i grups de recerca molt potents” –comenta David d’Enterria, físic sénior del CERN–. El FCC serà una manera de garantir l’excel·lència de la física d’acceleradors i la física de partícules als Països Catalans, a més del retorn industrial tecnològic que suposarà”.

El futur experiment de 90 quilòmetres

Per aquesta raó, el CERN ha proposat el que podria ser el següent gran col·lisionador de partícules: el Future Circular Collider (FCC). Instal·lat en un túnel de 90 quilòmetres de circumferència excavat a una profunditat d’uns 200 metres, el FCC es planteja en dues etapes diferents que començarien durant els anys trenta i s’allargarien fins a finals de segle. Durant la primera etapa es farien col·lidir electrons i positrons (l'antipartícula de l’electró). Permetria entendre amb molta precisió alguns processos que involucren el bosó de Higgs i sembraria el terreny per la segona fase durant la qual es farien col·lidir feixos de protons entre si a una energia més de tres vegades superior a la de l’LHC. En aquesta segona etapa es dipositarien totes les esperances de trobar nous fenòmens i partícules mai observades com, per exemple, partícules de matèria fosca.

Més enllà del purament científic i tecnològic, el FCC representa un repte a altres nivells, com ho són el social i mediambiental. Per exemple, l’excavació del túnel emetria a l’atmosfera una quantitat significativa de CO2. Un altre aspecte important és el gran consum elèctric que requeriria l’operació d’aquesta màquina. En un escenari en què l’escalfament global i la crisi energètica es fan paleses, trobar estratègies per reduir l’impacte i el cost energètic és essencial per assegurar la viabilitat del projecte a llarg termini. Per tots aquests motius, el projecte es troba actualment en una fase d’estudi de viabilitat, en què tots aquests aspectes es posen sobre la taula i es discuteixen entre els actors implicats.

Això i l’elevat cost global del projecte, estimat en més de 20.000 milions d’euros, pot fer-ne qüestionar la seva viabilitat. No obstant això, més enllà de la creació de coneixement, hi ha estudis que demostren que el retorn econòmic que tindrà supera el cost amb escreix. L’impacte en la indústria, la formació de nous científics i la creació de béns culturals s’estima que suposaria un retorn de més d’1,5 vegades la inversió.

L’estudi de viabilitat del projecte es tancarà l’any que ve i, seguint les seves conclusions, els diferents estats membres del CERN decidiran les passes a seguir dins de l’estratègia europea de la física de partícules.

Una lliçó del passat i un competidor asiàtic

Amb el FCC no és la primera vegada que la comunitat científica planteja un projecte d’un accelerador de partícules de gairebé 100 km. Durant els anys vuitanta, els Estats Units van aprovar la construcció del Superconducting Super Collider (SSC), un accelerador de partícules de 90 km de circumferència situat a una zona desèrtica del sud de Dallas, a Texas, per fer col·lidir protons a energies superiors a les de l’actual LHC. Una mala gestió del projecte, uns sobrecostos desorbitats i el final de la Guerra Freda contra la Unió Soviètica van provocar que el Congrés dels Estats Units decidís cancel·lar el projecte un cop ja s’havia excavat un terç del túnel que allotjaria l’accelerador. “Un dels principals problemes que va tenir l'SSC és que es va concebre com un projecte purament americà. Un projecte així només pot tenir èxit si és una col·laboració internacional”, explica d’Enterria.

La ciència no entén de fronteres, i per això la filosofia del CERN és la de dur a terme projectes que necessiten una col·laboració a escala global, on les nacions s’uneixin amb un únic propòsit. Tanmateix, aquest no és el punt de vista de tots els països. Per exemple, la Xina està desenvolupant el seu propi projecte de col·lisionador de partícules gegant i ja ha expressat la seva intenció de construir-lo. Només cal l’aprovació final del govern de Xi Jinping per començar l’excavació del túnel. Des d’Occident, la comunitat científica veu el projecte del gegant asiàtic amb molt d’escepticisme. L’opacitat i el tancament que es transmet sobre el seu estat i evolució generen molts dubtes. “Una màquina així és orfebreria fina. Encara que siguin capaços de construir-lo, no sabem si funcionarà mai. Estan cometent els mateixos errors del projecte americà”, declara Enterria.

Un futur esperançador

El descobriment del bosó de Higgs va requerir la col·laboració de desenes de milers de persones, que treballaven amb un únic objectiu. Projectes com aquest són un exemple de cooperació i ens permeten afrontar el futur amb esperança. “Jo soc optimista perquè no hi ha alternativa. Quan veus el que hem aconseguit no pots sinó emocionar-te”, conclou Enterria.

El model estàndard i el bosó de Higgs

El model estàndard és la teoria física que descriu el món subatòmic, que està compost per partícules de matèria, els quarks i els leptons; i per les partícules mediadores de les interaccions fonamentals: la força nuclear dèbil, responsable de les desintegracions nuclears, i representada pels bosons W i Z; la força nuclear forta, responsable de mantenir els nuclis atòmics i mediada pels gluons; i la força electromagnètica, responsable de la llum i el magnetisme, mediada pels fotons. A totes aquestes partícules cal afegir-hi el bosó de Higgs, responsable de proporcionar massa a la resta de partícules esmentades. Malgrat això, aquest model és incomplet perquè no és capaç d’explicar la matèria i l’energia fosques. Per aquesta raó, els físics busquen models que vagin més enllà del model estàndard.

Model estàndard de la física de partícules

dalt

encantat

cim

quarks

bosó W+

baix

estrany

fons

BOSONS

fotó

bosó Z

gluó

bosó de Higgs

electró

muó

tauó

bosó W-

leptons

neutrí

electrònic

neutrí

muònic

neutrí

tauònic

quarks

dalt

encantat

cim

baix

estrany

fons

leptons

electró

muó

tauó

neutrí

electrònic

neutrí

muònic

neutrí

tauònic

bosó de Higgs

BOSONS

bosó W+

fotó

bosó Z

gluó

bosó W-

quarks

dalt

encantat

cim

baix

estrany

fons

leptons

electró

muó

tauó

neutrí

electrònic

neutrí

muònic

neutrí

tauònic

bosó de Higgs

BOSONS

bosó W+

fotó

bosó Z

gluó

bosó W-

stats