El documento describe el largo y difícil proceso para descubrir el bosón de Higgs desde su concepción teórica hasta su probable detección en el LHC. Explica cómo el detector CMS selecciona solo 300 colisiones por segundo de los 600 millones que ocurren, reconstruye las partículas dejando rastros, y envía los datos a centros de computación para un análisis más detallado. Miles de científicos de todo el mundo trabajan analizando los millones de colisiones almacenadas para encontrar la aguja del bosón de Higgs en el p

1. D E H I E R RO S Y C A B L E S A L B O S Ó N D E H I G G S
El 4 de julio de 2012 los experimentos ATLAS y CMS han compartido con la comunidad
internacional su más reciente hallazgo: una nueva partícula, cuya masa es unas 125 veces la masa del
protón, y que probablemente sea el bosón de Higgs.
Lo que mucha gente no sabrá, y de ahí este artículo, es lo difícil y largo que ha sido el camino andado,
desde la concepción del mecanismo de Higgs, hasta su probable descubrimiento. No hablaremos aquí
de lo delicado que es acelerar los protones hasta velocidades cercanas a la de la luz, juntar diez mil
millones de estos protones y hacerlos colisionar en varios puntos del acelerador-colisionador LHC.
Aquí hablaremos de la cadena seguida en el experimento CMS, desde que recibe una de esas
colisiones hasta que los científicos dispersados por todo el planeta las analizan y buscan la aguja del
bosón de Higgs en la montaña de agujas del Modelo Estándar de la Física de Partículas.
El LHC llega a producir hasta seiscientos millones de colisiones por segundo. Lo ideal para CMS sería
fotografiar (almacenar) todas y cada una de ellas, pero eso es, con la potencia de cálculo que tienen
hoy en día los ordenadores, imposible. Así, no nos queda otra que hacer una selección "al vuelo". Es
decir, según nos llegan los seiscientos millones de colisiones por segundo, tenemos que decidir si esta
o aquella colisión la guardamos. ¿Y el resto? Las perdemos para siempre. El número que podemos
guardar es de trescientas por segundo... ¿Quiénes serán las elegidas? En una colisión de dos protones
puede haber una gran variedad de productos: chorros de muchas partículas, muones, electrones,
grandes cantidades de energía perdida porque se produjeron neutrinos, etc. Si existe un mínimo
número de estos productos, la colisión se guarda. Pero a cada respuesta que aquí damos surge una
nueva pregunta... ¿cómo se sabe si una colisión ha tenido, por ejemplo, muones?
El detector CMS es una gigantesca cámara fotográfica tridimensional (21 metros de largo por 16 de
ancho, pesando 12.500 toneladas), con la nada despreciable cifra de 76 millones de pixels. Cuando
una colisión ocurre dentro de esta cámara fotográfica, y en cuestión de microsegundos, los
productos de la colisión ya han atravesado el detector, o se han desintegrado, no dejando nada más
que su rastro. Visto y no visto. Como si sólo viéramos el rastro de un caza de combate que acaba
de pasar por encima de Oviedo.
Las partículas pueden dejar dos tipos de rastros: puntos o "hits" en los llamados detectores de trazas,
y depósitos de energía en los llamados detectores de calorimetría. Pero para completar la información
necesitamos, además de los diferentes detectores, un potente campo magnético. ¿Para qué? Con la
incorporación de un campo magnético las partículas cargadas se curvarán, tanto más cuanto más
lentas sean. Gracias a que se curvan podemos medir su momento, y gracias a que se curvan en
diferentes sentidos, podemos medir su carga eléctrica. El campo magnético de CMS es el más potente
que se ha construido hasta el momento, con una intensidad de 3.8 Tesla. En comparación, el campo
magnético de la Tierra es menor que 0.0001 Tesla. Las partículas neutras son inmunes al campo
magnético, pero para ellas tenemos preparados los detectores de calorimetría. La idea es sencilla:
parar completamente las partículas neutras que los atraviesan, eso sí, midiendo con precisión la
energía que se ha gastado en pararlas. Con la información de los puntos y de los calorímetros se
reconstruyen, en tiempos de microsegundos, los componentes de la colisión, y se decide si se acepta
o se rechaza. El paso siguiente es transferir, a una velocidad de trescientas por segundo, las colisiones
aceptadas fuera del experimento. Éstas se envían a siete centros de computación repartidos por el
mundo; en estos centros, con un poco más de tiempo para reconstruir las colisiones (o sucesos) con
más calma, se reconstruye en mejor detalle lo ocurrido en cada colisión, y se guarda en cintas.

2. Y aquí es donde empieza, en cierto modo, el análisis de los datos. Los físicos de CMS tienen que leer
los millones de colisiones almacenados en estas cintas y extraer, de todas ellas, las que sean de
interés. Pero, ¿cómo? En base al conocimiento existente de la Física de Partículas, gracias al Modelo
Estándar podemos predecir los diferentes tipos de colisiones que se van a producir en el LHC. La
idea, en principio, es entonces sencilla: comparar la predicción, gracias a simulaciones realizadas por
métodos de Monte Carlo, con la medida. Y, de una forma muy simplificada, diremos que hemos
descubierto una partícula cuando veamos más medidas de las esperadas, de una forma
estadísticamente significativa.
No sé si las siguientes proporciones serán exactas, pero darán una buena idea de la inmensa labor
realizada. Imaginemos un estadio olímpico (más de 400 metros de longitud) lleno hasta la bandera,
literalmente, de granos de arena. Ahora imaginemos que de todos esos granos de arena nos
quedamos con los que entran en una piscina olímpica (50 metros de longitud).Y finalmente, cogemos
un puñado con la mano. Fácil, ¿no? Pues ahora imaginemos que cada grano de arena corresponde a
una colisión. Las que llenan el estadio son las producidas por el LHC. CMS ha guardado en cinta las
que entran en la piscina.Y el bosón recién descubierto está en los granos que se quedan en la mano...
¡después de soltar el puñado que habíamos cogido! Semejante cadena de tareas no puede ser
realizada por unas pocas personas. El mantenimiento del detector las 24 horas del día, siete días a la
semana, gente dedicada a transferir los datos, a producir simulaciones, a calibrar los diferentes
detectores, a reconstruir los sucesos, a analizar los datos, a interpretar los datos, a arreglar las piezas
que, ley de vida, a veces fallan, etc, son parte de una lista más amplia de tareas necesarias para sacar
unos pocos granos de arena de un estadio olímpico; eso sí, unos granos de arena muy especiales. Así,
este artículo se lo dedico a las más de 3.000 personas que hacemos posible el sueño CMS.
Jónatan Piedra
Oviedo, 6 de julio de 2012