De bosones y tumores

¿En qué se parecen el bosón de Higgs y un tumor? Pues resulta que en bastante.  A los dos se les puede pillar de manera parecida.

Recientemente, en el verano de 2012,  se anunció el descubrimiento del  bosón de Higgs en el CERN.  La tan manida “partícula de Dios”. Dos colaboraciones internacionales, CMS y ATLAS, que trabajan en dos puntos del túnel del acelerador LHC (Large Hadron Collider) en el CERN, presentaron evidencias de que el bosón de Higgs o alguna partícula muy similar, se estaba produciendo en las colisiones que generaba el acelerador. Curiosamente gran parte de la evidencia  dependía de la detección de pares fotones, de forma muy similar a la técnica PET (Tomografía por emisión de Positrones) tan relevante  en Física Médica.

Resulta que en una cierta fracción  muy pequeña de los casos el bosón de Higgs decae dando lugar a dos fotones de muy alta energía. Esto sucede en alrededor de dos de cada mil desintegraciones. Si identificamos esos fotones y calculamos la masa de la partícula que las produjo encontramos la primera evidencia de que hay “algo” cuya masa está en torno a 125 GeV/c², unas 130 veces la del protón, y ese “algo” creemos que es el esperado Higgs.

Pero… ¿por qué si el Higgs decae tan pocas veces en fotones, han sido ellos de los primeros en dar pistas de su existencia? Pues por motivos similares por los que en PET usamos isótopos radioactivos que acaban produciendo parejas de  fotones para detectar tumores o estudiar el  cerebro. Los fotones de altas energías son fáciles de detectar y medir,  son capaces de atravesar material intermedio y  existen pocas señales que se puedan confundir con ellos.Además la detección simultánea de dos fotones con energías correlacionadas reduce mucho el posible ruido aleatorio y nos da más información sobre su origen. En PET nos indica la localización del tumor y en el experimento del CERN la masa del Higgs. En resumen, los fotones nos permiten diagnosticar el Higgs casi como si fuera un tumor escondido en el cuerpo.

En la figura 1 vemos un esquema de cómo funciona un tomógrafo PET. La aniquilación de un positrón procedente de un marcador con afinidad por el tumor  produce un par de fotones. El tumor debe encontrarse en la línea que une los  puntos de detección de los dos fotones.

Figura 1: Esquema de funcionamiento de un PET donde se muestra la detección de un par de fotones en coincidencia.

En la figura 2 vemos representadas las medidas del detector CMS en uno de los sucesos que podrían contener una desintegración de un Higgs. Las líneas curvas  son partículas cargadas detectadas en las capas interiores del detector y los rectángulos verdes representan la energía depositada por los dos fotones en zonas separadas del detector. El que los fotones no aparezcan en direcciones opuestas, como sucede en PET,  indica que, de tratarse de un  bosón de Higgs, éste se movía cuando se desintegró.

Figura 2: Suceso candidato a contener la desintegración de un bosón de Higgs detectado en el detector CMS del CERN.
http://cms.web.cern.ch/tags/higgs-boson 1

Los círculos concéntricos representan las distintas capas del detector. En concreto la capa de color azul oscuro, donde se localizan los fotones, es un detector compuesto de cristales centelleadores  muy similares a los usados en los tomógrafos. Los fotones han atravesado los detectores de trazas internos para llegar a dar señal en los cristales, de forma análoga a como los fotones de PET atraviesan el cuerpo y dejan la señal en el escáner ¡En los dos casos su presencia nos permite deducir dónde podría estar el sospechoso!