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El Gato de Schrödinger

Hoy he recibido un whatsapp preguntándome si había visto una película llamada “Coherence”. La verdad es que no la he visto, ni sabía de su existencia, algo que no es nada anormal, desde hace un tiempo tengo una gran desconexión tanto filmográfica como literaria. Lo que había llevado a la persona que me envió el mensaje a hablarme de la película era que durante algún tiempo en mi estado de Whatsapp e incluso en mi foto había alusiones al Gato de Schrödinger.

A veces tengo esta frase en mi estado simplemente porque me hace gracia.

“Schrödinger se ha deshecho de las cajas en su desván A 5 gatos les gusta su estado…”

Lo mismo me ocurre con la foto del Gato de Schrödinger enfurecido al salir de la caja (vivo)  y sobre todo para los lunes tormentosos o fin de vacaciones me viene al pelo.

gato de schodinger

El caso es que parece ser, aún no la he visto, que esa película tiene que ver con el experimento de Schrödinger.

¿Y en qué consiste el experimento de Schrödinger? Uffff, pues básicamente que en una noche sin coche, mezclando gin tonics, Jägermeister y absenta, sin esperar al día siguiente, te pones a elucubrar y aparecen imágenes de dualidad onda partícula, superposición, doble estado y alguna idea más de ese tipo que al pensarla sereno te entra un dolor de cabeza que no se va ni con ración doble de Ibuprofeno.

Negro sobre blanco, e intentando mucho resumir, aunque resumiendo es aún menos digerible, es un experimento imaginario (hay varias versiones) en el que un lindo gatito es introducido en una caja sellada. Para poner algo de emoción en la caja también introducimos una botella de veneno y un interruptor que se activa por una partícula radiactiva que tiene un 50% de probabilidades de desintegrarse en un tiempo determinado. Si la partícula se desintegra el interruptor acciona un martillo que rompe la botella y el gas venenoso se libera. Si no se desintegra el interruptor no actúa y el gas venenoso se queda dentro de su recipiente. Así en teoría hay un 50% de probabilidades de que el gato muera o sobreviva. Pero según la mecánica cuántica por la superposición de estados el gato, mientras que no abramos la caja, estará en los dos estados vivo y muerto. Sólo al abrir la caja y en ese momento interactuemos con él sabremos si está en un estado o en otro.

El gato evidentemente no es una partícula subatómica y esto suena a cuento, quizá el experimento sea tan complejo de entender por ese motivo, nuestra realidad macroscópica no se adapta en la mecánica cuántica (Higgs te necesito…). La mecánica Newtoniana se adapta más a nuestra razón, a nuestra percepción del mundo. Pero para entender el modelo estándar hay que unir más piezas del rompecabezas y no dejar engañarnos por lo que vemos, mejor nos dejamos “engañar” o “asombrar” por esos locos visionarios que son capaces de abstraerse y ver más allá de lo perceptible.

En cualquier caso he visto un vídeo que puede ayudar a entender este juego de nigromantes y que me gustaría compartir.

 

 

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Entendiendo a Higgs

Volvemos a Higgs. He encontrado un video con el sugerente título “Desmitificando el Bosón de Higgs”. En dicho video el profesor Leonard Susskind de la Universidad de Stanford (California,EEUU) explica de una manera muy didáctica cómo funciona el mecanismo de Higgs y qué significa dar masa a las partículas que en principio carecen de ella como son los gluones, w-bosones, z-bosones o fotónes.

Partiendo de nociones más o menos básicas nos acerca a la mecánica cuántica, nos aproxima al concepto de campo y a través del conocimiento del funcionamiento de las partículas más elementales llegamos a la necesidad del fenómeno Higgs.

Es una hora aproximada de clase magistral, cercana, que evita enredarse con fórmulas matemáticas para centrarse en ejemplos inteligibles, aclara conceptos y nos facilita entender tanto el mecanismo de Higgs como su necesidad. Si bien es cierto que los más legos tenemos que creer determinadas aseveraciones como si fuesen dogmas de fe por la falta de conocimientos no es óbice para que lo fundamental sea entendible. Desentraña muchos interrogantes acerca del famoso Bosón de Higgs, de todo lo que le rodea, de lo que significa, de cómo se busca y de por qué es tan difícil de encontrar.

Como he escrito con anterioridad me ha parecido un video interesante, ameno (la hora y quince minutos que dura se hace muy corta) y sobre todo muy clarificador y comprensible. Por ese motivo he querido realizar esta entrada e insertarlo en el blog para quien desee verlo.

 

 

Y después de la clase el recreo, sin muchos comentarios….

 

 

 

 

 

There’s a collider under Geneva
Reaching new energies that we’ve never achieved before
Finally we can see with this machine
A brand new data peak at 125 GeV
See how gluons and vector bosons fuse
Muons and gamma rays emerge from something new
There’s a collider under Geneva
Making one particle that we’ve never seen before

The complex scalar
Elusive boson
Escaped detection by the LEP and Tevatron
The complex scalar
What is its purpose?
It’s got me thinking

Chorus:
We could have had a model (Particle breakthrough, at the LHC)
Without a scalar field (5-sigma result, could it be the Higgs)
But symmetry requires no mass (Particle breakthrough, at the LHC)
So we break it, with the Higgs (5-sigma result, could it be the Higgs)

Baby I have a theory to be told
The standard model used to discover our quantum world
SU(3), U(1), SU(2)’s our gauge
Make a transform and the equations shouldn’t change

The particles then must all be massless
Cause mass terms vary under gauge transformation
The one solution is spontaneous
Symmetry breaking

Roll your vacuum to minimum potential
Break your SU(2) down to massless modes
Into mass terms of gauge bosons they go
Fermions sink in like skiers into snow

Lyrics and arrangement by Tim Blais and A Capella Science
Original music by Adele

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.

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.