miércoles, 25 de julio de 2012

Conferencia: El Higgs y el alma de la Ciencia

El Higgs y el alma de la Ciencia


José Ignacio Latorre

Catedrático de Física Teórica de la Universidad de Barcelona y Director Gerente del Centro de Ciencias de Benasque "Pedro Pascual"


La conferencia se enmarca dentro del programa divulgativo top@DIPC del Donostia International Physics Center.


Antes de que Latorre iniciara su conferencia, el físico Pedro Miguel Etxenike, abrumado por la gran cantidad de público, pidió a los jóvenes presentes que ocuparan el escenario para poder dejar sus asientos libres a las personas mayores que hacían cola para poder entrar en el edificio de la donostiarra calle Andia. Al final, no todo el público pudo asistir y más de cien personas se quedaron con las ganas de escuchar esta ponencia.

Con la sala abarrotada, parte del público tuvo que ocupar el escenario.

Tras acomodar al mayor número de personas posibles, Etxenike nos invitó a una reflexión sobre los beneficios que aporta la investigación científica en relación a los gastos que genera. Para ello nos recuerda una conversación entre el senador estadounidense Pastore y el científico Robert R. Wilson en relación a la financiación del Fermilab (del que Wilson era su director):

“Senador Pastore: ¿Hay algo, relacionado con este acelerador que, de alguna manera, ayude a la seguridad del país?

Dr. Wilson: No, señor. No lo creo.

Senador Pastore: ¿Nada en absoluto?

Dr. Wilson: Nada en absoluto.

Senador Pastore: ¿No tiene en ese sentido ningún valor?

Dr. Wilson: Sólo tiene que ver con el valor que nos otorgamos los unos a los otros, con el mutuo respeto, la dignidad del hombre, nuestro amor por la cultura. Tiene que ver con esas cosas. Tiene que ver con buenos pintores, buenos escultores y grandes poetas. Quiero decir, todas esas cosas que los hombres respetamos, veneramos y queremos en nuestro país y por lo que somos patriotas. No tiene nada que ver directamente con la defensa de nuestro país, excepto en hacer que merezca la pena defenderlo”.


Para Etxenike el hallazgo del Bosón de Higgs es un logro internacional de muchas personas y generaciones que se han visto motivadas a dar un paso más en la física de partículas. El LHC es posiblemente la máquina más compleja que ha construido el ser humano, y su finalidad es la de estudiar las partículas fundamentales y sus interacciones.

Llegados a este punto, Etxenike da paso a José Ignacio Latorre, uno de los científicos teóricos más emblemáticos de la actualidad.


El Higgs y el alma de la Ciencia


Tras 50 años de búsqueda, los científicos han encontrado el bosón de Higgs. Esta búsqueda enmarca el hallazgo de lo más pequeño que el hombre ha podido encontrar.



¿Pero de qué están formadas las partículas elementales? Responder a esta pregunta es el reto de la física actual.


El FÓTON.

Vamos a ver en detalle el fotón, una de las partículas elementales, ya que esta partícula nos permite observar muchos fenómenos.

Isaac Newton fue el primero en descubrir que los prismas separan los colores de la luz. La hipótesis de Newton era que la luz estaba compuesta por corpúsculos (partículas) de diferentes colores y que la diferencia en los colores era debido a la diferencia de velocidades de cada uno de ellos, de modo que en un medio transparente, la luz roja era más veloz que la luz violeta. El resultado era que la luz roja se doblaba (refractaba) menos que la luz violeta cuando pasaban a través del prisma, creando el espectro de colores. Aunque este fue un gran paso en la compresión de la física óptica, Newton no se percató de la verdadera naturaleza de la luz. Su teoría corpuscular no abarcaba las propiedades ondulatorias de la luz.

El fotón es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio. 



El ojo humano sólo es capaz de detectar una mínima parte de estos fotones que corresponden al espectro visible. Pero existen fotones más débiles o más energéticos que no somos capaces de ver. Por ejemplo, los rayos gamma llegan a la Tierra desde los confines del Universo. ¿Cómo se transmiten estos fotones gamma?




Cuando un átomo pierde energía, emite un fotón (emisión). Y si el átomo absorbe un fotón, ganará energía (absorción).(Imagen superior)

Los electrones interactúan a través de fotones. A continuación tenéis la interacción básica del electromagnetismo: dos electrones interactúan emitiendo un fotón. Si explicamos esta interacción con la física cuántica, llegamos a lo que hoy en día se conoce como electrodinámica cuántica (QED). El control de esta teoría ha permitido el progreso de multitud de aplicaciones tecnológicas.

Con estos diagramas, conocidos como Diagramas de Feynman, podemos construir sencillamente estos procesos. Por ejemplo, en el siguiente diagrama se puede apreciar la repulsión de dos electrones entre sí. Su interacción produce un fotón.



Y en la imagen inferior tenemos el diagrama de la aniquilación entre un positrón y un electrón, en la que se crean dos fotones. Es decir, la materia se ha transformado en luz que llega a nosotros.



Si calculamos la energía de los fotones que se emiten en esta aniquilación veríamos que correspondería a rayos gamma. Así que cuando observamos este tipo de radiación, lo que en realidad estamos contemplando es la aniquilación entre materia y antimateria, luego de esta forma sabemos que la antimateria existe en nuestro Universo.


En la imagen anterior podemos ver el núcleo de la galaxia M87 en la que se ha detectado una emisión de rayos gamma. El Telescopio Magic de la Palma está diseñado precisamente para la detección de los rayos gamma procedentes de los lugares más convulsos del Universo.

MAGIC

En este punto de la conferencia, Latorre nos ofrece una dirección web sobre un vídeo de los rayos gamma:

http://vimeo.com/45448883

El estudio de los rayos gamma ha permitido que sus aplicaciones se utilicen hoy en día en campos como en la medicina. Por ejemplo, para poder realizar tomografías (PET) que tantas vidas permiten salvar.




HISTORIA DEL ÁTOMO


En el año 460 a.C, Demócrito defiende que toda la materia no es más que una mezcla de elementos originarios que poseen las características de inmutabilidad y eternidad, concebidos como entidades infinitamente pequeñas y, por tanto, imperceptibles para los sentidos, a las que Demócrito llamó átomos, término griego que significa "que no puede cortarse".


Pero basta mirar una tabla periódica para darnos cuenta de que son muchos los átomos encontrados como para considerar estas unidades como fundamentales.

El paso definitivo para la comprensión de la estructura de los átomos fue dado por Ernest Rutherford. El modelo de Rutherford fue el primer modelo atómico que consideró al átomo formado por dos partes: la "corteza", constituida por todos sus electrones, girando a gran velocidad alrededor de un "núcleo", muy pequeño, que concentra toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa del átomo. Llegó a esta conclusión tras observar la dispersión que sufrían las partículas alfa (átomos de helio-4 sin electrones) cuando eran arrojadas sobre una lámina delgada de oro.






Posteriormente se descubrió que el núcleo de los átomos estaba compuesto por protones y neutrones. Entonces el siguiente paso es: ¿cómo podemos conocer la estructura de un protón? Tenemos dos opciones:

a) Se hace colisionar violentamente un protón contra una "pared". Dicha "pared" tendría un campo magnético que causaría que las diferentes partículas describiesen diferentes trayectorias en función de su carga eléctrica. En breve el sincrotrón Alba enviará protones contra moléculas para estudiar las propiedades de éstas.

b) Provocar una colisión protón-protón. La ventaja de esta opción es que evita la equivocación que pueda surgir al revisar los restos de la colisión, ya que todos los componentes forman parte de los protones y no hay residuos de la "pared". Este proceso es el que realiza el LHC.

El LHC consiste en un colisionador con forma de anillo, de 27 kilómetros de longitud. Inicialmente los protones son inyectados en paquetes (de 115.000 protones cada uno) al SPS, que envía los paquetes en direcciones contrarías a través del anillo principal. En el anillo son acelerados (mediante 1232 imanes superconductores refrigerados a -271ºC) durante 20 minutos (cada vuelta se completa en tan solo 90 microsegundos), para finalmente colisionar en uno de los cuatro detectores que tiene el LHC (de los cuales, los más conocidos son el ATLAS y el CMS). En la colisión se alcanzan energías de 14 TeV.

En el caso concreto del detector ATLAS, dispone de diferente capas, similar a como está dispuesta una cebolla, en la que cada capa tiene una función: detener los fotones, detener los hadrones, colimar las trayectorias, parar los muones,...


El trabajo del LHC se realiza en tres fases: acelerar, detectar, y analizar las partículas. En el siguiente vídeo, además de información sobre el LHC, se puede ver una simulación de su funcionamiento.



Los datos producidos en el LHC se analizan en laboratorios repartidos por todo el planeta. La cantidad de datos generados en el LHC, es enorme: 1 petabyte por segundo. Para poder procesar de manera eficiente semejante cantidad de datos, aparte de tener que descartar parte de ellos por no tener interés, se ha creado una estructura informática, denominada GRID y que está estructurada en varias capas (Tiers). La primera sería el Tier 0, situado en el propio CERN. La segunda sería el Tier 1, que cuenta con 11 centros de cálculo en diversos países. La tercera sería el Tier 2, en el cual se vuelve a distribuir datos entre 140 centro de cálculo (departamentos que realizan estudios). Finalmente parte del cálculo también es realizado en ordenadores personales de gente que a través de internet, comparten tiempo de su equipo mediante el software LHC@Home.



PARTÍCULAS ELEMENTALES.

Los protones y neutrones están formados por quarks u y d. Los quarks formarían los protones y neutrones gracias a la conocida como fuerza fuerte.

protón = uud
neutrón = udd



Los electrones,  los fotones y los quark u y d explican prácticamente todos los fenómenos que conocemos. ¡Pero no todos!

Sin embargo se observó que cuando un neutrón se convertía en un protón, ocurría el siguiente proceso: ¡Un quark d se ha transformado en un quark u!


Este evento revela la existencia de una nueva fuerza que no es el electromagnetismo: la interacción débil. Las partículas portadoras de las interacciones débiles son los bosones W+, W-, y Z. Los W's están cargados eléctricamente, en tanto que el Z es neutro.

Hoy día se conocen tres familias o generaciones que representan tres réplicas de la misma estructura. Cada miembro de una familia tiene mayor masa que la correspondiente partícula de la generación previa; con la excepción de los neutrinos. No sabemos por qué existen tres familias. Ni siquiera se conoce con seguridad si existen sólo tres. La teoría de cuerdas podría ofrecer una explicación, pero aún nos queda mucho por avanzar para emitir un resultado fiable. Otras teorías apuntan a que la existencia de dos familias causaría la posibilidad de la reversibilidad de la flecha del tiempo.


 Estas partículas forman la materia interactuando entre sí. Se conocen cuatro tipos de interacciones: electromagnética, fuerte, débil y gravitatoria.


¿Se pueden unificar estas fuerzas? Aquí nos encontramos con el problema de que algunas partículas tienen masa y otras no. Los fotones, los gluones y los gravitones no tienen masa. Pero los bosones W y Z sí la tienen. Es como si existiese "algo" que los frenara y les impidiese ir a la velocidad de la luz. Este "algo" es lo que nos lleva al Mecanismo de Higgs.

Postulamos que existe una partícula nueva con una propiedad única, que además de propagarse tendrá un valor no nulo en todo el espacio-tiempo. Al introducir esta partícula en el modelo estándar, la partícula W recibe masa debido a su interacción con ella.

Sin el Higgs no entenderíamos el origen de la masa de las partículas fundamentales. Entonces el problema es hallarlo para después, con su estudio, comprender el origen de la masa de las partículas.



HISTORIA DEL HIGGS


El mecanismo de Higgs es un proceso mediante el cual las partículas pueden obtener masa invariante sin romper explícitamente invariancia de gauge. La propuesta de ese mecanismo de ruptura espontánea de simetría fue sugerida originalmente en 1962 por Philip Warren Anderson y, en 1964, desarrollada en un modelo relativista completo de forma independiente y casi simultáneamente por tres grupos de físicos: por François Englert y Robert Brout; Las propiedades del modelo fueron adicionalmente consideradas por Guralnik en 1965 y Higgs en 1966. Las ideas propuestas eran que cuando una teoría de gauge es combinada con un campo adicional que rompe espontáneamente la simetría del grupo, los bosones de gauge pueden adquirir consistentemente una masa finita. En 1967, Steven Weinberg y Abdus Salam fueron los primeros en aplicar el mecanismo de Higgs a la ruptura de la simetría electrodébil y mostraron cómo un mecanismo de Higgs podría ser incorporado en la teoría electrodébil de Sheldon Glashow, en lo que se convirtió en el modelo estándar de física de partículas.

El 4 de julio de este año se publicó el descubrimiento de lo que podía ser el bosón de Higgs. En los próximos meses se seguirán analizando los datos obtenidos con la finalidad de descubrir si lo que se ha encontrado es el Higgs u otra partícula que actúa como el Higgs, lo que abriría las puertas a una nueva física.

Es descubrimiento del Higgs ha sido gracias a la labor conjunta de 10.000 científicos de todo el planeta que han trabajado con los criterios de meritocracia, excelencia, eficiencia y consecución de objetivos.


Este descubrimiento, ¿nos abre la puerta a un nuevo nivel de la composición de la materia?



Peter Higgs



Para finalizar, habría que indicar dos cosas más, relativas al bosón de Higgs, y que en ocasiones es causa de confusión. En primer lugar, suele referirse al bosón de Higgs, como la partícula divina o la partícula de Dios. Sin embargo, este bosón, no tiene nada que ver con aspectos religiosos. Esta denominación incorrecta procede de un cambio en el título del libro de Leon Lederman, "The goddamn particle", por interés de la editorial. El título original, cuya traducción venía a ser "la partícula puñetera" (por lo que estaba costando encontrarla), no les pareció conveniente, y quitaron el -damn del título, convirtiéndolo en "la partícula divina".

Por otro lado, también se indica que el bosón de Higgs sería el responsable de toda la masa (de la inercial, no de la gravitatoria -la gravedad no está contemplada en el modelo estándar). En primer lugar, tenemos que tener en cuenta que según las estimaciones actuales, menos de un 5% de nuestro Universo podría ser materia (el resto sería materia oscura y energía oscura). Pero además de esto, y teniendo en cuenta la equivalencia masa-energía, en el caso de protones y neutrones, el bosón de Higgs aportaría únicamente una pequeña cantidad de masa (energía): la mayor parte de la energía (masa) procedería de la fuerza fuerte, al mantener "unidos" los quarks, por el llamado confinamiento de color.

No se podría terminar este artículo, sin incluir el gráfico en el cual es posible observar esta nueva partícula descubierta alrededor de los 125 GeV, y que se corresponde a los canales de desintegración.


4 comentarios:

  1. Felicito al autor de la nota, es muy clara y con un lenguaje simple, para explicar y que entiendan este tema alumnos de nivel medio.

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    1. Muchas gracias. Este artículo también pertenece a Fran Sevilla (http://www.vega00.com/) ya que ha sido una redacción conjunta.

      Un saludo!

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  2. Muy buen trabajo gracias por compartirlo saludos

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    1. No sé si el aviso de la charla os llegó a tiempo. Hubo tanta gente que no vi a nadie de Aranzadi.

      Muchas gracias y un saludo!

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