Bosón de Higgs


Al hilo de lo escrito en la entrada sobre el LHC es de interés hablar sobre el Bosón de Higgs y su importancia en la concepción de la física actual. Para ello habrá que hacer un pequeño viaje hacia el pasado y explorar unos pocos conocimientos sobre la física de partículas.

El Big Bang, una explosión inconmensurablemente grande que ocurrió hace 13,7 mil millones años es el origen de todo lo que conocemos hoy en día, antes de ese momento e incluso en ese momento todo es misterio.

El Universo era entonces muy denso y caliente, pero sólo unos instantes después, cuando comenzó a enfriarse, las condiciones eran las apropiadas para dar lugar a las partículas para la construcción de la materia, en particular, a los quarks y los electrones de los cuales todos estamos hechos. A unas pocas millonésimas de segundo después, los quarks se agregaron para producir los protones y los neutrones, que a su vez estaban agrupados en núcleos. Entonces, como el Universo continuó expandiéndose y enfriándose, las cosas empezaron a suceder más lentamente. Se necesitó 380.000 años para que los electrones estuvieran atrapados en órbitas alrededor del núcleo, formando los primeros átomos. Se trata principalmente de helio e hidrógeno, que son con diferencia los elementos más abundantes en el Universo.

Otros 1,6 millones de años más tarde, la gravedad comenzó a tomar el control y comenzó a formar estrellas y galaxias.

Hasta ahora todo está claro, pero hay un pequeño detalle que he omitido: las observaciones cosmológicas y astrofísicas han demostrado que sólo conocemos un pequeño 4% de todo el Universo. La mayor parte del Universo se compone de sustancias invisible conocida como “materia oscura” (26%) y “energía oscura” (70%). Estos no emiten radiación electromagnética, y sólo se pueden detectar a través de sus efectos gravitatorios. Qué son y cuál es el papel que desempeñaron en la evolución del Universo es un misterio, pero dentro de esa oscuridad yacen intrigantes posibilidades hasta ahora desconocidas para la física más allá de lo establecido en el Modelo Estándar.

Y qué es el Modelo estándar. En la década de los 70 se ha explicado con éxito una serie de resultados experimentales y se han predicho con precisión una amplia variedad de fenómenos. Con el tiempo y a través de muchos experimentos de muchos físicos, el modelo estándar se ha establecido como una teoría bien probada. Todo en el Universo está formado a partir de doce bloques de construcción básicos llamados partículas fundamentales, gobernado por cuatro fuerzas fundamentales.

Todo lo que nos rodea está hecho de partículas. Esa materia se presenta en dos tipos básicos llamados quarks y leptones. Cada grupo consta de seis partículas, que se relacionan en pares, o “generaciones”. Las partículas más ligeras y más estables son las de primera generación, mientras que las partículas más pesadas y menos estables pertenecen a la segunda y tercera generación. Toda la materia estable en el universo está hecha de partículas que pertenecen a la primera generación; cualquier partícula más pesada se desintegra rápidamente al nivel más estable inferior.

Los seis quarks son emparejados en las tres generaciones, el ‘quark up’ y el ‘quark down’ forman la primera generación, seguido por el ‘quark encanto’ y ‘quark extraño’, el ‘quark top’ y ‘quark bottom’.  Los seis leptones son igualmente dispuestos en tres generaciones, el “electrón” y el “electrón-neutrino”, el “muón” y el “muón neutrino, y el ‘Tau’ y el ‘Tau-neutrino”. El electrón, el muón y el tau todos tienen una carga eléctrica y una masa, mientras que los neutrinos son eléctricamente neutros, con muy poca masa.

Hay cuatro fuerzas fundamentales en el universo: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitacional. Ellas trabajan en rangos diferentes y tienen diferentes puntos fuertes. La gravedad es la más débil pero tiene una gama infinita. La fuerza electromagnética también tiene rango infinito, pero es muchas veces más fuerte que la gravedad. Las fuerzas débiles y fuertes son eficaces sólo en un intervalo muy corto y que dominan sólo en el nivel de las partículas subatómicas. A pesar de su nombre, la fuerza débil es mucho más fuerte que la gravedad, pero es sin duda la más débil de los otros tres. La fuerza fuerte es, como su nombre lo dice, el más fuerte entre todas las cuatro interacciones fundamentales.

En tres de las fuerzas la transferencia de energía se hace mediante los “bosones”. Cada fuerza fundamental tiene su propia partícula bosón correspondiente – la fuerza fuerte es transportado por  “gluones”, la fuerza electromagnética por el “fotón” y los “bosones W y Z ‘son los responsables de la fuerza débil. Aunque aún no ha encontrado, el “gravitón” debería ser la partícula correspondiente al transporte de la fuerza de la gravedad.

El modelo estándar incluye las fuerzas electromagnéticas, fuerte y débil, y todas sus partículas, y explica muy bien cómo estas fuerzas actúan sobre todas las partículas de materia. Sin embargo, la fuerza más familiar en nuestra vida cotidiana, la gravedad, no forma parte del Modelo Estándar. De hecho, que la gravedad se ajuste cómodamente en ese marco ha demostrado ser un reto difícil. La teoría cuántica para describir lo micro, y la teoría de la relatividad general se utiliza para describir lo macro, son como dos niños que se niegan a jugar muy bien juntos. Nadie ha conseguido hacer compatibles los dos matemáticamente en el contexto del Modelo Estándar. Pero por suerte para la física de partículas, cuando se trata de la escala minúscula de partículas, el efecto de la gravedad es tan débil como para ser insignificante. Así que el modelo estándar aún funciona bien a pesar de su exclusión reticente de una de las fuerzas fundamentales.

A pesar de que el modelo estándar es actualmente la mejor descripción que tenemos del mundo subatómico, no explica la imagen completa. La teoría incorpora sólo tres de las cuatro fuerzas fundamentales, omite la gravedad. También hay cuestiones importantes que no puede responder, como lo que es la materia oscura,  la antimateria, y más.

Existen vínculos muy estrechos entre dos de las cuatro fuerzas fundamentales – la fuerza débil y la fuerza electromagnética. Las dos fuerzas se pueden describir dentro de la misma teoría, que constituye la base del Modelo Estándar. Esta “unificación” implica que la electricidad, el magnetismo, la luz y algunos tipos de radiactividad son manifestaciones de una fuerza subyacente única llamado, como era de esperar, la fuerza electrodébil. Pero para que esta unificación pueda funcionar matemáticamente, se exige que las partículas portadoras de fuerza no tengan masa. Sabemos por experimentos que esto no es cierto, por lo que los físicos Peter Higgs, Robert Brout y François Englert idearon una solución para resolver este enigma.

Se sugirió que todas las partículas no tenían masa justo después del Big Bang. A medida que el universo se enfrió y la temperatura cayó por debajo de un valor crítico, un campo de fuerza invisible, llamado el campo de Higgs se formó junto con el Bosón de Higgs asociado. El campo prevalece en todo el cosmos: las partículas que interactúan con ella se dan a través de la masa del Bosón de Higgs. Cuanto más se interactúan, se convierten en más pesadas, mientras que las partículas que nunca interactúan se quedan sin masa. Es decir en donde pensamos que no hay nada, que es vacío, aún está el Bosón de Higgs que ocupa su espacio y sirve de transmisor de fuerzas.

Esta idea ofrece una solución satisfactoria y encajaba bien con las teorías establecidas y las experimentaciones. El problema es que nadie ha observado el Bosón de Higgs experimentalmente para confirmar la teoría. Encontrar esta partícula daría una idea de por qué las partículas tienen masa determinada, y ayudar a desarrollar la física posterior. El problema técnico es que no sabemos la masa del Bosón de Higgs, lo que hace más difícil de identificar. Se espera que con el Gran Colisionador de Hadrones se pueda determinar la existencia del Bosón de Higgs.

El Bosón de Higgs puede ser la clave para conocer el origen de la masa de las partículas. Encontrarlo sería un gran paso para la física de partículas, aunque su descubrimiento no es el final, aún quedan muchas incógnitas, como son la materia oscura y la antimateria entre otras, supongo que otro día trataré sobre ese tema.

Así pues el LHC no sólo se espera que pueda ayudar a encontrar el Bosón de Higgs con lo que ello implica, si no que será la herramienta para dar pasos más importantes en el conocimiento de nuestro universo y de la esencia misma de nuestra existencia.

Hay dos experimentos del LHC cuya principal misión es la búsqueda del Bosón de Higgs: ATLAS (Un aparato Toroidal LHC) y CMS (Compact Muon Solenoid). Estos dos dispositivos se sientan en el extremo sur y extremo norte (respectivamente) de los 27 kilómetros del anillo del LHC. Los físicos creen que si el Bosón de Higgs existe, entonces estos experimentos deben ser capaces de encontrarlo.

Detector Atlas

La característica principal del detector ATLAS es su enorme sistema magnético con forma. Ésta consta de ocho bobinas superconductoras de 25 m de largo, dispuestas para formar un cilindro alrededor de la tubería por la que atravesará el centro del haz el detector. Durante la operación, el campo magnético se encuentra dentro del espacio cilíndrico central definido por las bobinas.

Detector CMS

El detector CMS se basa en un gran imán solenoide. Tiene la forma de una bobina cilíndrica con cable superconductor que genera un campo magnético de 4 teslas, alrededor de 100 000 veces mayor que la de la Tierra. El campo magnético es confinado por un yugo de acero “que forma la mayor parte del peso del detector de 12500 toneladas. Una característica inusual del detector CMS es que en lugar de ser construido en el subterráneo in situ, como los otros gigantes detectores de los experimentos del LHC, fue construido en la superficie, antes de ser bajado fue dividido en 15 secciones y rearmado.

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Publicado el 24 noviembre 2009 en Ciencia y Tecnología, LHC y etiquetado en , , , , . Guarda el enlace permanente. 4 comentarios.

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