Investigación de académico de la BUAP da lugar a experimento en el CERN

De ser validada, su teoría podría echar abajo las bases del Modelo Estándar de la Física de partículas, que describe la estructura íntima de la materia y el Universo

BUAP. 15 de noviembre de 2015.- Dada la relevancia de la propuesta teórica del doctor Lorenzo Díaz Cruz, investigador de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas (FCFM) de la BUAP, destacados científicos realizan experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en Ginebra, Suiza, cuyos resultados podrían fracturar las nociones sobre la estructura y el comportamiento del Universo, planteadas en el Modelo Estándar de la Física de partículas.

Que un trabajo hecho en la BUAP diera lugar a un experimento en el CERN, el centro de investigación sobre Física más importante del mundo, muestra su trascendencia y valoración por parte del grupo de científicos.

Hasta ahora, los resultados obtenidos en el Gran Colisionador de Hadrones apuntan hacia lo que Díaz Cruz planteó teóricamente hace casi 15 años, no obstante, aún no es contundente estadísticamente. La corrida actual del LHC, con mayor energía, podrá dar una respuesta final.

Con cerca de 25 años de investigación en la Física de partículas o de altas energías, en el 2000 propuso una nueva forma de decaimiento de la partícula o el bosón de Higgs, con la cual se viola uno de los principios del Modelo Estándar: la conservación del número leptónico.

El científico de la BUAP planteó que el bosón de Higgs decae a tau y anti-muon, a diferencia de la teoría estándar que sostiene que esta partícula decae a pares de leptones del mismo sabor, como tau y antitau, o muon y antimuon, o electrón y antielectrón. Es decir, el Higgs decae a partículas del mismo tipo.

De ser validada por los científicos del CERN, su propuesta desecharía las bases sobre las que se edifica el Modelo Estándar de la Física de partículas, es decir, demolería los sólidos esquemas de la Física actual.

Con su investigación, la cual es citada en el artículo oficial del CERN sobre el experimento en cuestión, se abriría la brecha para nuevas observaciones que podrían dar la pauta para llegar a una comprensión de los cabos sueltos del Modelo Estándar, como la aniquilación de la antimateria en los primeros instantes del Universo, que se ha encontrado en el laboratorio pero no en éste, y la materia oscura, pues se sabe que con la materia luminosa conocida no es posible explicar el comportamiento completo de las galaxias.

Su trabajo sobre dicho proceso le ha permitido impartir conferencias en los centros de investigación más importantes del mundo. El artículo sobre su trabajo cuenta con 79 citas según INSPIRES, el sistema de información de Física de altas energías, que combina contenidos de la base de datos CHAPITELES, curada por el Sincrotrón Alemán de Electrones (DESY), el Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab), The SLAC National Accelerator Laboratory, con la tecnología de la biblioteca digital Invenio, del CERN.

Sobre el Modelo Estándar y las partículas elementales del Universo

Lorenzo Díaz Cruz, doctor por la Universidad de Michigan, Estados Unidos, explicó que en el Modelo Estándar se describen prodigiosamente los constituyentes básicos de la materia: los quarks, que al unirse dan lugar a la formación de los neutrones, protones, etcétera; y los leptones, que incluye al electrón y sus “hermanos mayores” conocidos como muones, taus, así como sus “primos”, los neutrinos.

En esta teoría, las fuerzas o interacciones entre la materia están basadas en el intercambio de partículas. Sugiere que el campo de Higgs, derivado del bosón homónimo, impregna todo el espacio y que las partículas elementales que interactúan con éste adquieren masa, a diferencia de las que no interactúan.

Las implicaciones en la Física teórica de la existencia o no existencia del Higgs son muy importantes, pues si esta partícula no existiera, no se entendería siquiera la formación de átomos, necesario para el surgimiento de la vida misma.

El Higgs era el último elemento que faltaba para completar el Modelo Estándar. La comprensión total de las propiedades del Higgs permitirá concluir una cadena de razonamientos, que parte desde el origen de la Física moderna hasta nuestros días.

En ese sentido, hace 15 años, Lorenzo Díaz Cruz contribuyó a estos descubrimientos al sugerir que el bosón de Higgs -conocido también como la partícula de Dios, responsable de que las partículas adquieran masa- podría ser detectado con modos no convencionales.

En particular, encontró que el decaimiento del Higgs en un muon y tau, podría tener un valor mucho más alto de lo que la comunidad creía. En los modos convencionales, el Higgs decae en una partícula y su respectiva antipartícula, como lo permite el Modelo Estándar en las leyes de decaimiento, de las que se desprende una propiedad relevante que se conoce como la “Ley de conservación del número leptónico”, la cual implica que las interacciones del bosón de Higgs conservan el número de leptones.

Díaz Cruz definió al decaimiento como la transformación de una partícula a otra, la cual ocurre debido a la inestabilidad de las propias partículas elementales, asociado con la naturaleza cuántica de las mismas.

El investigador recordó que el premio Nobel de Física de este año se otorgó al japonés Takaaki Kajita y al canadiense Arthur B. McDonald, por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, que permite comprender el funcionamiento interno de la materia y conocer mejor al Universo.

Explicó que lo recibieron por demostrar que los neutrinos oscilan y cambian de sabor, lo que implica la no conservación del número leptónico, es decir, encontraron una inconsistencia en las leyes del Modelo Estándar, lo cual da esperanzas para que se observe dicha violación también en los procesos asociados al Higgs.

El Higgs es una partícula que tiene poco tiempo de vida, una vez creada se convierte (decae) casi inmediatamente en otras partículas más estables. Dada esta característica, la búsqueda del Higgs en el LHC se hace mediante el estudio de productos finales.

La verdadera complejidad de la búsqueda del Higgs es la presencia de los eventos de fondo; por ejemplo, la búsqueda del Higgs que decae en dos taus se ve opacada por la producción de dos taus que provienen del decaimiento del bosón Z –la partícula mediadora de las interacciones débiles neutras-, que es unas 10 mil veces más probable que la del Higgs. Es por ello que se requiere de estudios estadísticos sofisticados para distinguir entre una señal de Higgs verdadera y una fluctuación estadística del análisis.

La búsqueda del Higgs se hace principalmente en cinco canales de decaimiento. Los decaimientos del Higgs producen estados finales con dos fotones o cuatro leptones cargados, o dos neutrinos y dos electrones (o muones), dos taus o dos quarks b. El canal del Higgs a dos fotones y del Higgs a 4 leptones son los modos más limpios en la búsqueda del Higgs para una masa de 125 GeV, como se comprobó en el LHC.

¿Cuáles son las implicaciones más profundas de estos experimentos sobre el Higgs y las partículas elementales?

“El Universo está asentado sobre un vacío, así como un edificio se construye sobre un suelo, pero ¿qué nos confirma que el vacío realmente es el vacío correcto, que es la verdadera base? En el caso del edificio existe la posibilidad de que el suelo esté ubicado por encima una cavidad y el peso del mismo lo haga colapsar.

“Algo similar puede ocurrir con el vacío del Universo, que podría ser inestable, lo cual depende de los parámetros fundamentales de la naturaleza, como son las masas y las cargas. Los números que se están encontrando en el LHC apuntan a que el Universo como un todo podría colapsar; que vivimos sobre un vacío inestable en el que una región del Universo podría irse, así, sin más”, explicó el académico.

“En el Modelo Estándar se plantea este riesgo: puede haber una transición de este vacío a otro vacío. Con las teorías que estudiamos queremos verificar si esto es posible o no, o si la presencia de nuevas formas de materia, como podrían ser los quarks y leptones exóticos –propuestas en una nueva teoría llamada Supersimetría, la cual se estudia ya en la BUAP-, podría bastar para salvar el destino del Universo”, apuntó.