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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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LHC

Ayer leí la noticia de que el LCH volvía a funcionar. Hace años que muchas personas, y no precisamente científicos ni investigadores, si no simplemente curiosos o personas con cierto interés en temas científicos, andan interesados en el ya famoso y controvertido LHC.  Es un buen motivo para iniciar con este tema el Blog, he recopilado algo de información y me uno a los que intentan divulgar reseñas acerca de este tema tan interesante y en el que según vas escarbando te vas dando cuenta de lo profundo que es. Probablemente sobre esta materia seguiré aportando datos, si empiezas con el LHC no tienes más remedio que seguir hablando del Bosón de Higgs, de la antimateria, del Big Bang, materia oscura, Modelo estándar de la física…. Pero esos temas creo que los iré intercalando a lo largo de las próximas entradas, ya comenté en la presentación que escribiría de lo que me apeteciese en cada momento y no todo es física o ciencia… ¿ o sí?

¿Qué es?

Básicamente es un antiguo monitor CRT pero a lo bestia y con algunos pequeños sensores. Un poco más en serio, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un gigantesco instrumento científico, situado cerca de Ginebra, entre Suiza y Francia. Básicamente, es un anillo de 27 kilómetros en forma de largo túnel, hecho principalmente de imanes superconductores que se encuentra 100 metros bajo tierra.

Una visión esquemática del LHC. Image © CERN.

¿Cómo funciona?

En él se aceleran partículas. Dos haces de partículas llamadas hadrones.  Éstas son protones o iones de plomo que se envían a  toda velocidad alrededor del anillo en direcciones opuestas. Van ganando energía con cada vuelta hasta que se muevan cerca de la velocidad de la luz y a energías muy altas, y se les induce a colisionar

Los haces viajan en direcciones opuestas por tubos separados, los tubos han de mantenerse en el ultra vacío. Son guiados alrededor del anillo del acelerador por un fuerte campo magnético, que utiliza electroimanes superconductores. Éstos se construyen a partir de bobinas de cable eléctrico especial que funciona en un estado superconductor, de manera eficiente sin resistencia ni pérdida de energía. Esto requiere la refrigeración de los imanes con una temperatura de trabajo entorno a -271 ° C, una temperatura que es más fría que en el espacio exterior. Por esta razón, gran parte del acelerador está conectado a un sistema de distribución de helio líquido que enfría los imanes.

Miles de imanes de diferentes variedades y tamaños se utilizan para dirigir los haces en el interior del acelerador. Estos incluyen 1.232 imanes dipolares de 15 m de longitud que se utilizan para dirigir los rayos, y 392 imanes cuadrupolares, cada uno de 5-7 m de largo, para enfocar los rayos. Justo antes de la colisión, otro tipo de imán se utiliza para “comprimir” las partículas y que estén más juntas para aumentar las posibilidades de colisiones. Las partículas son tan pequeñas que la tarea de hacer que choquen es similar a disparar agujas desde dos posiciones de 10 kilómetros con tal precisión que se encuentran a medio camino.

Todos los controles para el acelerador, sus servicios y la infraestructura técnica se encuentran bajo un mismo techo en el Centro de Control del CERN. Desde aquí, los haces se harán chocar en el LHC en cuatro lugares alrededor del anillo del acelerador, que corresponden a las posiciones de los detectores de partículas.

Los seis experimentos en el LHC están a cargo de colaboraciones internacionales, reuniendo a científicos de institutos de todo el mundo. Cada experimento es distinto, caracterizado por su detector de partículas único. Los experimentos son ATLAS, CMS, ALICIA, LHCb, TOTEM Y LHCf

LHC coolddown status

El ATLAS, CMS, ALICE y LHCb están instalados los detectores en cuatro enormes cavernas subterráneas ubicadas alrededor del anillo del LHC. Los detectores utilizados por el experimento TOTEM están situadas cerca del detector CMS, mientras que los utilizados por LHCf están cerca del detector ATLAS. Este último es el que más atención ha generado, en él esperan acreditar la existencia del Bosón de Higgs. Sobre él y su importancia trataré en una entrada específica en el Blog.

¿Para qué sirve?

Físicos utilizarán el LHC para recrear las condiciones justo después del Big Bang, al chocar los dos haces de frente a muy alta energía. Equipos de físicos de todo el mundo analizarán las partículas creadas en las colisiones utilizando detectores especiales en una serie de experimentos. Con ello se pretende responder a algunos de los misterios del Universo. Los físicos piensan que todo comenzó torno a los 13,7 mil millones de años con el Big Bang. Entonces el Universo era muy denso y caliente. Pero en un instante comenzó a enfriarse y se iniciaron los distintos procesos que dieron lugar a todo lo que vemos hoy en día. Con el LHC se pretende dar algo de luz sobre las cosas que todavía no entendemos acerca de nuestro universo, ayudará a mirar hacia atrás a ese momento dramático del primer instante, para entender como surgió el universo tal como lo conocemos.

Hay muchas teorías sobre lo que será el resultado de estas colisiones, pero lo cierto es que un nuevo mundo de la física emergerá del nuevo acelerador, como los conocimientos en física de partículas pasarán a describir el funcionamiento del Universo. Durante décadas, el Modelo Estándar la de la física de partículas ha servido a los físicos como un medio para comprender las leyes fundamentales de la naturaleza, pero no cuentan toda la historia. Sólo los datos experimentales conseguidos gracias a la utilización de las energías más altas alcanzadas por el LHC pueden ayudar a avanzar en el conocimiento, buscando la confirmación de las teorías empíricas.

Las colisiones de alta energía producidas por el LHC podrán recrear las condiciones que se dieron en los momentos justo después del Big Bang. Esperan que las colisiones crearán partículas, aunque sólo sea por un instante pequeño, que nunca se han observado: son los eslabones perdidos de la física moderna.

Seguridad e inversiones

Se ha debatido mucho acerca de la seguridad de los experimentos y del mismo acelerador, también se ha criticado su coste. Sobre estos temas creo que es conveniente aclarar algunos puntos y hacer algunas reflexiones.

Acerca de la seguridad,  el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) puede alcanzar una energía que ningún otro acelerador de partículas ha alcanzado antes, pero la naturaleza produce a diario energías mayores en colisiones de rayos cósmicos. Se han realizado estudios por organismos independientes que avalan su seguridad.

El LHC no puede hacer nada que la naturaleza no lo ha hecho ya, y hemos sobrevivido. No se espera que produzca ningún agujero negro, o agujeros de gusano, en absoluto, e  incluso si lo hace, van a ser extremadamente pequeño, desaparecerá en un instante, o será completamente inofensivo.

En cuanto al coste, a lo largo de la historia, las personas han estudiado la ciencia pura en un deseo de comprender el universo, en lugar de aplicaciones prácticas para fines comerciales. Pero sus descubrimientos más tarde resultaron tener grandes beneficios prácticos para el conjunto de la humanidad. En este caso la utilización y estudio de superconductores, de toda la alta tecnología empleada para solventar los retos que han finalizado con la construcción y funcionamiento del LHC, o el desarrollo de una red de comunicación y almacenamiento de datos mucho más avanzada y rápida que Internet como es la Grid, se verán reflejadas en un futuro inmediato con mejoras en nuestra vida.

Photo: Maximilien Brice, CERN