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Día H… de Higgs

Hoy se ha producido, mejor dicho, se ha anunciado uno de los descubrimientos más importantes de la física de partículas. Esta mañana, aprovechando la 36 Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías, se ha realizado un seminario especial del CERN en el que se ha comunicado los nuevos avances en la búsqueda de la partícula de Higgs. Los trabajos realizados en el LHC en los dos últimos años, bueno más concretamente en el último año (periodo 2011-2012) con energías de trabajo de entre 7 y 8 TeV, parece que han dado sus frutos. Hoy han desvelado desde el CERN que los resultados de los experimentos CMS y ATLAS inducen a afirmar con un tanto por ciento muy elevado que la partícula de Higgs existe. Todo indica que se estaría moviendo en torno a los 125 GeV de masa.

Sobre el Bosón de Higgs ya he escrito en otras entradas, como resumen diré que es una partícula fundamental para que el Modelo Estándar de la Física funcione. Es necesario para explicar como las partículas adquieren su masa y es el nexo de unión entre la fuerza nuclear débil y la fuerza electromagnética.

Ante todo hay que aclarar que las partículas subatómicas y más en concreto las que se mueven en ese entorno de energía son extremadamente inestables y por tanto efímeras. No se pueden ver, mucho menos guardar en una cajita de cartón para enseñarla a los curiosos cuando van a visitarte. Lo que se hace es calcular la probabilidad de que exista estudiando los elementos en los que se desintegra que son más estables. Se han estudiado millones de colisiones, tamizando los resultados para centrarse en eventos de unas características definidas .Tenemos ahora mismo un candidato a Bosón de Higgs, aunque puede que lo que hayan detectado sea un primo suyo.

¿Qué es lo que hace a unos científicos presentar en una conferencia un descubrimiento de este calibre?. ¿En qué se basan para afirmar con más o menos rotundidad la certeza de su descubrimiento?. Básicamente se basan en la probabilidad de acierto, de que lo que hayan detectado sea lo que buscan. Es difícil encontrar un 100% de exactitud, en el caso que nos ocupa estamos muy cerca. Por lo que he leído en física de partículas necesitamos estar en el entorno de 5 sigmas de significación estadística para empezar a afirmar que el suceso está en un entorno de confiabilidad digno de ser tenido en cuenta. Como se ve en la siguiente tabla eso significa una probabilidad de acierto del 99,99995%.

Bien es cierto que en probabilidades y ratios influyen qué parámetros empleemos. Así pues empelando los datos obtenidos en el 2011 y 2012 en los experimentos CMS y ATLAS en un determinado canal (difotónico, en ese canal el Bosón de Higgs se desintegra en un par de fotones) se obtienen sigmas del orden de 6.02, superior a lo que parece ser suficiente para afirmar la existencia de un hecho.

Como se ve en los parámetros utilizan datos de dos años 2011 y 2012 que se corresponden con energías de 7 y 8 TeV respectivamente y en un canal determinado, si empleamos otros parámetros supongo que el sigma será diferente. No obstante es relevante que por separado los experimentos CMS y ATLAS hayan dado resultados que si bien no han llegado al “requerido” 5 sigmas, se han quedado a las puertas ( 4.9 en el CMS y 4.5 sigmas en el ATLAS en una masa de 125.6 GeV). Esto indica la fiabilidad del descubrimiento. En la WEB vixra.org hay mucha información sobre este tema y además hay una bonita herramienta para realizar gráficos con los distintos valores alcanzados en los experimentos.

http://vixra.org/Combo/

 Aún queda mucho trabajo por hacer, la partícula de Higgs se debe desintegrar en cualquier canal con una confiabilidad superior a los 5 sigmas para tener evidencia real de su existencia. Además debe cumplir con las propiedades que se le atorga en el Modelo Estándar. Parece que el escurridizo elemento está definitivamente acorralado, los datos presentados lo avalan. Incluso aunque los datos no correspondieran al Higgs, si no a un primo suyo, lo cercano que están hace predecir que más pronto que tarde ese tema se de por zanjado y el siguiente será desarrollar el Modelo Estándar, basándose en los resultados experimentales obtenidos, mejorando el conocimiento del funcionamiento del Universo.

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Inicio de actividad del LCH 2012, objetivo Bosón de Higgs

Hoy ha anunciado el CERN que el mes próximo reanudará las actividades del LHC. Después de unos meses de parada técnica el acelerador de partículas iniciará su nueva singladura con un incremento de la energía de sus haces de 0.5 TeV, estarán trabajando con 4 TeV por haz, aún lejos de los 7 TeV teóricos que puede llegar a alcanzar. Hasta ahora, por seguridad, han sido conservadores en la utilización de energía, los 3.5 TeV han sido suficientes para los experimentos planteados y en definitiva con la física que querían estudiar. En el periodo 2010-2011 se han alcanzado interesantes progresos en el estudio de las partículas que ha culminado con el anuncio de que es posible que el Bosón de Higgs exista realmente.

Los científicos de los experimentos Atlas y CMS han publicado los resultados que adelantaron en Diciembre sobre el Bosón de Higgs en la revista Physics Letters B,  no se puede considerar aún que se haya descubierto el Bosón de Higgs con los datos obtenidos pero está cerca y con el aumento de energía en los choques de este año podría darse el paso definitivo. Todo parece indicar que se mueve en un intervalo de energía-masa de 16 GeV, en los experimentos de CMS y ATLAS parece dar indicios de su existencia entre 116-131 GeV, estamos hablando de una masa 120 veces superior a la del protón.

Con la nueva energía la cantidad de datos en las colisiones registradas en los detectores se multiplicará por tres y con ello se optimizará el rendimiento y las posibilidades de investigación antes de volver a clausurar el LHC en Noviembre por una nueva y larga parada técnica de unos 20 meses. El  objetivo es que en 2015 se puedan alcanzar los 7 TeV por haz inicialmente previstos como óptimos en el diseño del acelerador.

Como la entrada no es muy larga, sólo es un anuncio,  voy a insertar este fragmento de documental por su interés y su sencillez, muy ameno y didáctico.

Cercando al Bosón de Higgs

Mañana día 13 de Diciembre, Santa Lucía para los que miran el santoral, curiosamente la santa de la luz, la patrona de la vista, no soy precisamente dado a estas efemérides pero ésta siempre la tendré presente y sin que hubiera un evento singular ya habría sido un día marcado en mi calendario. Digo que, curiosamente, mañana en el día que conmemora la luz, el descubrimiento, el vislumbrar, el director general del CERN, ni más ni menos, va a dar un seminario oficial a las 14:00 horas.

Durante semanas ha habido rumores, en los mentideros más cualificados que tuvieran relación con la ciencia, con la física, se han filtrado noticias, se ha especulado. El motivo de todo este tumulto, todo este revuelo, es la posibilidad de que el bosón de Higgs haya sido, al menos, cercado. Después de casi dos años de trabajo los experimentos desarrollados en el LHC, más concretamente el ATLAS y CMS, aparentemente han dado sus frutos. Durante estos dos años de investigación se ha avanzado en probar numerosas teorías, se han conseguido hitos y logros incluso superiores a lo previsto. Uno de los retos que tenía el LHC era demostrar que el bosón de Higgs existía, con ello cerraba el círculo que permitía consolidar la teoría física más estable, que más cerca estaba de explicar como funciona el universo, desde los más infinitamente pequeño hasta lo más grandioso. El Modelo Estándar de la física cumple con solvencia las preguntas que le hacen los físicos, permite entender y explicar con sencillez  (bueno quizá esto último sea un eufemismo) los mecanismos de conexión entre lo existente a todos los niveles  Pero el Modelo Estándar se desmoronaría si la llamada “partícula  Dios”, la partícula que Higgs intuyó y que hace bueno el campo de Higgs no existiese. Si no se pudiera encontrar esa partícula experimentalmente podríamos tener dudas acerca de si el modelo actual se desarrolla sobre una base falsa, es como si construimos un rascacielos sobre un terreno pantanoso. Pero aún podríamos funcionar puesto que las herramientas de que nos dota trabajan bien y explican las cosas sin fisuras. Peor sería que descubrieran que dicha partícula no existe, entonces toda la física que se ha desarrollado sobre el Modelo Estándar debería ser replanteada. Hace poco más de dos años, cuando este cuaderno de bitácora iniciaba su singladura y coincidente casi con el inicio de la actividad del LHC escribí algo acerca del bosón de Higgs.

Pero parece ser que estamos en el otro lado de la acera, todo indica que el bosón de Higgs está al alcance de la mano, que hay indicios claros de que existe, los experimentos ATLAS y CMS aparentemente han acercado esa posibilidad a la realidad. El ámbito de trabajo de los últimos meses del LHC entre 114 y 141 GeV parece que, aún trabajando a ciegas puesto que no se sabe exactamente a qué energía se puede observar el bosón, en ese orden puede estar escondido la misteriosa partícula. Los rumore sindican que el trabajo conjunto de los dos detectores han coincidido en resultados, eso parece indicar que sólo esperan que salga con el DNI entre los dientes, que lo tienen al menos acorralado.

Mañana por tanto el mundo científico estará muy pendiente de lo que el Director General del CERN explique. Probablemente cuando los resultados se filtren y los entendidos empiecen a cribar de qué se está hablando realmente,  los curiosos que nos interesan estas cosas aunque apenas comprendamos lo que significa, estaremos de enhorabuena porque seguro las noticias nos ayudan a entender un poco más el universo en el que vivimos y estaremos un poco más cerca de conocer nuestro más primario origen. Quizá en estos momentos haya cosas mucho más importantes, quizá no… seguro, pero teniendo los pies en la tierra me gusta que mi cabeza viaje bien lejos.

Neutrinos Superluminosos

Hace unos días una noticia hizo tambalear las estructuras más firmes de la física mundial. Científicos del Centro Francés de Investigaciones Científicas (CNRS), anunciaban que han conseguido lanzar neutrinos a una velocidad mayor que la de la luz (en torno a 15.000 neutrinos).

El experimento se ha realizado en Europa, en concreto se han realizado en el CERN de Ginebra. El experimento que recibió el nombre de OPERA consistía en enviar neutrinos desde el acelerador del CERN hasta el laboratorio de Gran Sasso en Italia. Las partículas recorrieron los 730 Km. de distancia que separan ambos laboratorios tardando 60 nanosegundos menos que la luz (unas 20 partes por millón). Ese resultado supuso una sorpresa para los investigadores del CNRS que vieron como los neutrinos había viajado más rápidos que la luz en el vacío.

En principio los resultados obtenidos, a pesar de haber sido comprobados concienzudamente, están sometidos a fuertes interrogantes y han sido puestos a disposición de la comunidad científica internacional para su estudio ( si alguien desea descargarse el PDF con la información del experimento y los resultados puede hacerlo en http://arxiv.org/abs/1109.4897)

Unos de los principios más firmes, consolidados y ya nada discutidos desde que Einstein anunció en 1905 la Teoría de la Relatividad es que ninguna partícula puede viajar por encima de la velocidad de la luz.  Esa premisa sustenta toda la física moderna, además estaba contrastada tanto en cálculos teóricos como empíricos y permitía que las investigaciones en física y astronomía avanzasen en ese terreno con paso firme y seguro.

Poner en tela de juicio ese axioma significa resquebrajar la base de toda la ciencia actual, eso evidentemente no es bueno ni malo, la ciencia está en continua evolución desde los anales de los tiempos. Pero sí que significaría que hay que romper o adaptar determinados conceptos. A veces hay que dar un paso atrás para saltar más lejos.

De momento todo está pendiente de ser analizado y confirmado por la comunidad científica. Como todo experimento debe poder ser realizado en otras instalaciones y además debe dar los mismos resultados. Japón y EEUU tienen capacidad para poder reproducirlo.

Ya hay científicos, algunos de ellos con una reputación como Andrew G. Cohen y Sheldon L. Glashow (Premio Nobel de Física y una de las grandes autoridades en partículas elementales), de la Universidad de Boston que ponen en tela de juicio los resultados. No creen que OPERA podría haber detectado todos los neutrinos puesto que a esa velocidad deberían haber perdido energía muy rápidamente y sólo hubiera detectado los de energía inferior a cierto límite, mientras que en la realidad se detectaron neutrinos con altas y bajas energías.

Lo interesante de todo este revuelo serán las discusiones, pruebas, contrapruebas posteriores. Finalmente la comunidad científica deberá determinar si toda nuestra física necesita un nuevo enfoque o simplemente ha sido un error o, aún siendo totalmente exitoso el experimento, los resultados tienen de alguna forma cabida en las teorías actuales.

En cualquier caso si sólo conocemos una ínfima parte de la materia y energía que nos rodea, si la materia y energía oscura son un enigma para la comunidad científica, cómo se va estar 100% convencido que las reglas que manejamos para explicar lo que nos rodea van a funcionar para todo lo que acontece a nuestro alrededor. Cuanto más conozcamos lo que desconocemos más cerca estaremos de poder explicar y entender como funciona nuestro universo, que somos, de dónde venimos y a donde irremisiblemente vamos.

Más información

OPERA


El CERN produce y atrapa átomos de antimateria

El experimento ALPHA del LHC (CERN) parece que empieza a dar los primeros resultados. Según se publica en la revista “Nature”, se ha conseguido retener átomos de antihidrógeno durante unos 170 milisegundos en una trampa magnética, en ese tiempo se ha podido obtener datos suficientes para poder empezar a estudiar las diferencias entre materia y antimateria, y lo que es más interesante, podrá facilitar el progreso en el entendimiento acerca de por qué la materia es lo que prevalece en el Universo en contra de la antimateria. Tener una porción de antimateria el tiempo suficiente para poder estudiarla significa un avance muy importante en el estudio de unos de los asuntos más enigmáticos en la composición del Universo y por ende en el entendimiento de todo lo que nos rodea y, en definitiva, de lo que somos.

Como ya apunté en la entrada acerca de la antimateria :

Si en el Big Bang todo hubiera sido absolutamente simétrico, la energía hubiera generado partículas y antipartículas por igual, que luego se hubieran destruido formando más energía hasta llegar a un cierto equilibrio térmico, en el que nada existiría. Entonces, el hecho que el universo se componga sólo de materia nos dice que en el origen del Universo hubo algún tipo de asimetría entre materia y antimateria. Es decir, las leyes de la naturaleza contienen alguna asimetría que favoreció a la materia frente a la antimateria.

Para descubrir que ocurrió con la antimateria los científicos de todo el mundo están realizando experimentos que den luz a tamaño misterio. Gracias al Tevatrón de Estados Unidos de Norteamérica se han podido tener indicios de por qué ha prevalecido la materia, de hecho, hace unos meses, encontraron un camino a seguir para buscar explicaciones a estos enigmas a través del experimento DZero.

Los científicos de Fermilab que trabajan en el Experimento DZero, en el acelerador de partículas Tevatrón, (EEUU) anunciaron el 14 de Mayo que han encontrado evidencias de violaciones del comportamiento de la simetría materia-antimateria mayores de las predichas por la actual teoría de la física de partículas. Para descubrir qué ocurrió con ella, los científicos emplean una amplia variedad de métodos para investigar cualquier pequeña diferencia en las propiedades de materia y antimateria que pueda aportar alguna explicación.

En el LHC, en el experimento ALPHA se utiliza uno de los sistemas mejor conocidos en la física como es el estudio con átomos de hidrógeno. El átomo de hidrógeno es de los más simples, está formado por un protón y un electrón. En el LHC se ha podido crear antihidrógeno a bajas energías (eso ya se producía en el antiguo acelerador del CERN, en 1995 se produjeron los primeros 5 átomos de antihidrógeno), pero lo realmente interesante ha sido que han podido retener esa antimateria en torno a una décima de segundo, antes de que se contrarreste con el hidrógeno (materia) y desaparezca.  Para ello han usado unos complejos campos electromagnéticos donde han sido retenidos esas cientos de milésimas de segundo antes de que colisionen con la materia. En el experimento ALPHA han conseguido retener unos 38 átomos de antihidrógeno, estables y neutrales,  suficientes partículas durante suficiente tiempo para poder estudiarlos y descubrir su secreto.

Aún queda mucho camino para sacar conclusiones, para descubrir unos de los enigmas más estudiados en los últimos años con el fin de entender el origen del Universo y el comportamiento de todo lo que somos o nos rodea. Parte será transitado por los investigadores que trabajan en el LHC, en el Tevatron del laboratorio Fermilab, e incluso en los experimentos que se realicen con el Detector AMS en el espacio, que será enviado a la Estación Espacial (ISS).

 

 

 

 

Se inicia el programa de investigación del LHC

Hoy  30 de marzo de 2010, a las 13:06, se han producido las primeras colisiones  a 7 TeV en el LHC marcando el inicio del programa de investigación del LHC. Los físicos de partículas de todo el mundo estaban esperando este momento. Con el LHC se inicia una nueva física experimental utilizando una energía tres veces y media mayor de la que se había logrado en un acelerador de partículas anteriormente.

“Es un gran día para ser un físico de partículas”, dijo el Director General de CERN Rolf Heuer. “Un montón de gente ha esperado mucho tiempo este momento, pero su paciencia y dedicación está comenzando a dar dividendos”.

“Con los registros de energía empleados se hacen añicos todo lo que se había realizado hasta ahora, los experimentos del LHC ofrecen una vasta región para explorar, y a partir de ahora comienza la caza de la materia oscura, las nuevas fuerzas, nuevas dimensiones y el Bosón de Higgs“, esas fueron las palabras de la portavoz del experimento ATLAS, Fabiola Gianotti.

Hasta ahora todo funciona según lo previsto, e incluso mejor de lo esperado. Todos los científicos encargados de los diferentes proyectos están encantados como están trabajando los detectores de partículas, ya están analizando datos en los equipos de trabajo a lo largo de todo el mundo. Pronto empezarán a sacar conclusiones acerca de  algunos de los principales enigmas de la física moderna, como el origen de la masa, la gran unificación de las fuerzas y la presencia de abundante materia oscura en el universo.

Los responsables del experimento Alice ya se frotan las manos imaginando lo que ocurrirá a finales de año con las colisiones de iones de plomo, comenzará la carrera para buscar nuevas pistas sobre la naturaleza de la interacción fuerte y la evolución de la materia en el Universo inicial.

El LHC trabajará durante 18-24 meses con el objetivo de ofrecer datos suficientes para que con los experimentos a realizar se produzcan avances significativos en una amplia gama de canales de la física. Tan pronto como se haya “redescubierto” el Modelo Estándar de partículas conocido, tomado como un precursor necesario a la búsqueda de una nueva física, los experimentos del LHC se dirigirán a la búsqueda sistemática del Bosón de Higgs. Con la cantidad de datos esperados, el análisis combinado de ATLAS y CMS se podrá de explorar un amplio rango de masas, e incluso hay una oportunidad de descubrir si el Bosón de Higgs tiene una masa cercana a los 160 GeV.

El LHC tiene una oportunidad real en los próximos dos años del descubrimiento de partículas supersimétricas”, detectando masas del orden de  800 GeV, y capaces de dar ideas sobre la composición de una cuarta parte del Universo.”

Después de este plazo, el LHC se detendrá para hacer un mantenimiento rutinario, y para completar las reparaciones y trabajos de consolidación, después del incidente del 19 de septiembre de 2008, para que el LHC pueda alcanzar la energía de 14 TeV. Tradicionalmente, el CERN ha operado sus aceleradores en  ciclos anuales, funcionando de siete a ocho meses con un período de cuatro a cinco meses de cierre de cada año. Siendo una máquina con elementos criogénicos a una temperatura muy baja, el LHC tiene alrededor de un mes para llegar a la temperatura ambiente y otro mes para enfriarse. A cuatro meses del posible cierre, parar tan pronto no tendría sentido para un ciclo anual, así CERN ha decidido pasar a un ciclo más largo, con períodos más largos de operación acompañado por períodos más largos de cierre cuando sea necesario.

Dos años de funcionamiento continuo será una tarea difícil tanto para los operadores como para los experimentos del LHC, pero valdrá la pena el esfuerzo.

En este enlace tenemos el Webcast del LHC , ahí se puede ver vídeos acerca del acelerador y como han vivido los primeros choques de partículas. El vídeo de abajo representa como están circulado los haces en el acelerador en tiempo real

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Reinicio actividades LHC 28-02-2010

Según ha comunicado de forma escueta el CERN en su Web y en Twitter, tras la parada técnica en la que se encontraba el LHC desde el pasado diciembre, el sábado 28 de Febrero a las 04:10 volvió a circular el primer haz de partículas de 2010 por el gran colisionador.

El haz ha circulado en ambos sentidos por el enorme anillo de 27 kilómetros del LHC, aunque de momento a baja potencia, poco después han tenido que hacer una nueva parada para ajustar algunos aspectos del enfriamiento de los imanes antes de seguir con la aceleración de las partículas.

El LHC se puso en “stand by” el 16 diciembre de 2009, después de un más que prometedor reinicio de sus actividades a finales de ese mismo año, y desde entonces esta parada técnica ha servido para preparar las colisiones de alta energía y el programa de investigación que se seguirá en 2010, hacer las reparaciones y comprobaciones necesarias para el perfecto funcionamiento a más altas energías. Como ya indiqué en la entrada dedicada a la parada técnica del LHC los responsables habían anunciado el reinicio de la actividad en febrero de este año, y el último día del mes se han cumplido las previsiones.

A partir de ahora, se irá aumentando la energía de colisión del LHC hasta los 7 TeV (3,5 TeV por haz) y así se operarán los experimentos a lo largo de entre 18 y 24 meses. Este periodo supondrá la fase más larga de operación del acelerador en la historia del CERN, y llevará hasta el verano u otoño de 2011.

Después se realizará una larga parada para desarrollar todos los trabajos necesarios que permitan alcanzar la energía de colisión prevista de 14 TeV en el siguiente período de funcionamiento del gran colisionador y evidentemente para analizar los datos registrados en esos meses de intenso trabajo