FISICA DE PARTICULAS ELEMENTALES Y EL BOSÓN DE HIGGS
Autor: Físico: Silva Méndez Eli Axel C.I. V-19.279.477
Octubre del 2012
RESUMEN Ante el mundo cuántico, el sujeto debe volver a ser infante; debe sacrificar muchas costumbres de pensamiento, certidumbres, imágenes. Para poder experimentar la no-separabilidad, que se refiere a la unión indisoluble entre los fenómenos en la totalidad de lo que es, se debe silenciar el pensamiento habitual y regresar a la “teoría” (theoría), que etimológicamente quiere decir “contemplar”. El artículo tiene como objetivo exponer los contenidos generadores para una visión paradigmática de la física como ciencia, en este caso la física de partículas tratando de compendiar los procesos discursivos de los paradigmas, los contenidos teóricos y filosóficos de la física y la unificación de la ciencia. ABSTRACT Given the quantum world, the subject must be re infant, must sacrifice many habits of thought, certainties, images. In order to experience the nonseparability, which refers to the indissoluble union between phenomena in the totality of what is thought to be muted usual and return to the "theory" (theoria), which etymologically means "look" . The article is to describe the contents generator for a paradigmatic view of physics as a science, in this case the particle physics trying to summarize the discursive processes of paradigms, the theoretical and philosophical physics and unification of science . Palabras Claves: ciencia, paradigma, partículas, elementos.
Este diseño didáctico tiene como fin familiarizar los conceptos básicos de la física moderna “partículas” lo cual ayudará a tener una visión más completa del mundo que los rodea, pudiendo comprender la naturaleza de las interacciones fundamentales de nuestro universo físico. EL hombre se encuentra en un período de cambio en la manera en que comprende el Universo y todo cuanto emerge de las confusas relaciones, movimiento y energía que lo constituyen. Luego de años de reflexión sobre el conocimiento, la realidad y el Universo físico, la ciencia toma conciencia de sí misma y se plantea como un sistema dinámico que cambia constantemente, tal como lo plantea Morin (1983). El conocimiento se observa hoy más como un proceso que como un cúmulo de datos objetivos de aquello llamado realidad, mediante aquello llamado método científico. Hoy es posible volver a la complejidad inherente y constitutiva de la naturaleza, asumiendo, por cierto, que esto nos lleva a aceptar que no podemos dar cuenta de ella de manera absoluta. En otras palabras, asumir que la complejidad de la naturaleza supera nuestra capacidad analítica (separar en el objeto de estudio en unidades fundamentales y estudiarlas por separado) implica que debemos soltar la pretensión de conocimiento objetivo, preciso y acumulable. Así, en el contexto de este cambio paradigmático, es posible acercarse desde una visión científica, pero no reduccionista, a los conocimientos de las antiguas tradiciones orientales, reconocidas como poseedoras de una sabiduría que hoy, en el marco de la búsqueda del bienestar físico, espiritual, social y ecológico del mundo entero, se hace necesaria. En consecuencia, el trabajo que se desarrolla está orientado hacia el conocimiento de la visión paradigmática de la física como ciencia, de manera que se desarrollen sus procesos discursivos, los contenidos filosóficos y teóricos La Física desde su visión paradigmática, pretende una perspectiva global o amplificada de la realidad, que permita al sujeto un conocimiento más amplio de aquello que lo contiene. De esta manera, en la física se promueve la transversalidad del conocimiento, donde un saber repercute en el todo. Es una visión que pretende ser integral y holística. Por lo tanto, la física como ciencia está destinada a romper con nuestras tradiciones académicas que hoy separan a las ciencias naturales de las ciencias sociales e ir más allá: absorber conocimientos de la rica cantera de diversidad plasmada en los paisajes culturales modelados por el hombre. Tal vez la realidad fragmentada por la
visión disciplinaria puede ser reconstruida desde la complementariedad; la cual permitirá ampliar la visión del conjunto y reconocer los lazos que vinculan a todo lo real entre sí a través de representaciones que re-enfaticen la unidad de lo diverso. He aquí, donde empezaremos hablar de la física de partículas: El Positrón El positrón es la antipartícula del electrón. Tiene exactamente la misma masa que el electrón, pero con carga eléctrica opuesta. Alejado de la materia, puede existir para siempre, pero cuando un positrón se encuentra con un electrón, las dos partículas se aniquilan, produciendo energía. El físico teórico Paul Dirac predijo la existencia de los positrones y de otras antipartículas en 1928. Combinando la descripción clásica del movimiento del electrón con las nuevas teorías de la mecánica cuántica y de la relatividad especial, Dirac encontró una sorprendente solución a sus ecuaciones: un electrón moviéndose con energía negativa, que es imposible en la física clásica. Dirac interpretó su resultado como una antipartícula moviéndose con energía positiva. Cuatro años más tarde, el físico Carl Anderson observó en un experimento en una cámara de niebla el positrón predicho por Dirac. Hoy en día, los positrones tienen numerosas aplicaciones en la física de partículas y en técnicas de imagen médica. Los científicos pueden “invertir” el proceso de aniquilación y crear un gran número de positrones, bombardeando por ejemplo un trozo de metal con un intenso haz de electrones. Otra fuente de positrones son algunos isótopos radioactios como el carbono-11. Los hospitales usan aceleradores para producir estos isótopos de corta vida media y los usan como traza en la tomografía por emisión de positrones (siglas PET en inglés). La técnica PET permite la visualización de procesos biológicos y sistemas como el flujo sanguíneo, el metabolismo, y los receptores neuronales. Representación del Positrón:
Partículas Virtuales: Una partícula virtual es en general una partícula elemental que existe durante un tiempo tan corto que debido al principio de indeterminación de Heisenberg no es posible medir sus propiedades de forma exacta. El término "partícula virtual" se utiliza en contraposición a "partícula real" para explicar las infracciones que aquella parece cometer contra las leyes de conservación durante sus interacciones. Fuerzas Fundamentales Las fuerzas fundamentales están transmitidas por los bosones de gauge, cuando éstos bosones transmiten las fuerzas son virtuales, y son creados en el vacío; es decir que incluso en el vacío más perfecto, ya sea el que se cree en un laboratorio, el espacio intergaláctico, o el vacío interatómico, son creados continuamente bosones de gauge con una existencia extremadamente breve. La mecánica cuántica predice que la energía del vacío nunca puede llegar a ser cero. La energía menor posible del vacío se llama energía del punto cero, y es precisamente esta poca “aunque no nula” energía de las partículas virtuales. Éste modelo del vacío se llama vacío mecánico cuántico, o más corto, vacío cuántico. La transmisión de las fuerzas entre las distintas cargas de cada interacción está descrita por la teoría cuántica de campos, que describe cómo los bosones de gauge virtuales se transmiten a través del vacío polarizado entre las cargas reales. Algunos de estos bosones también se presentan reales en distintos fenómenos:
Los fotones son partículas reales cuando los observamos en cualquier tipo de radiación electromagnética, como la luz o los rayos X. Cuando transmite la interacción electromagnética entre partículas con carga eléctrica los fotones son virtuales.
Los gluones reales forman los llamados mesones y bariones híbridos, así como las glubolas o bolas gluónicas (la existencia de ambos aún no está comprobada). Los gluones que transmiten la interacción fuerte entre partículas con carga de color son virtuales. Pero una cuestión aún a resolver es saber si todos los bosones de gauge sin masa que existen, incluidos los que arriba se exponen como reales, son al fin y al cabo virtuales. Éstas partículas se mueven a la velocidad de la luz, y por tanto, atendiendo a la teoría de la relatividad de Albert Einstein, el tiempo que tardan en propagarse entre dos puntos cualesquiera del universo es instantáneo desde el punto de vista de las partículas.
Pares Partícula – Antipartícula No sólo surgen bosones de gauge en el vacío cuántico, sino también pares partícula-antipartícula; como por ejemplo pares electrón-positrón, o pares quark arribaantiquark arriba, entre otros. Siempre debe crearse una partícula con su antipartícula, conservándose así el número fermiónico un número cuántico del universo. Las partículas que surgen de este modo son virtuales porque en cuanto aparecen, tienen tan poca energía que al instante se aniquilan entre sí. Radiación de los Agujeros Negros: El fenómeno de la producción de pares ocurre incluso en el borde del horizonte de sucesos de un agujero negro. Puede ocurrir que una de las partículas del par producido caiga dentro del agujero y que la otra se salve, convirtiéndose en una partícula real. Como una de las partículas se ha vuelto real, se habría violado la ley de conservación de la masa y la energía. Pero esto no es así pues el agujero negro "paga", cediendo un poquito de su propia energía a la realidad. El proceso continuado hace perder continuamente energía al agujero negro hasta que tras un tiempo directamente proporcional a la superficie del horizonte de sucesos el agujero desaparece completamente. Éste proceso se llama evaporación del agujero negro, y es causada por fotones que se vuelven reales. Estos fotones constituyen la denominada Radiación de Hawking. Partículas Intermedias: Mesones En física de partículas, un mesón es un bosón que responde a la interacción fuerte, esto es, un hadrón con un espín entero. En el Modelo estándar, los mesones son partículas compuestas en un estado quark-antiquark. Se cree que todos los mesones conocidos consisten en un par quark-antiquark, los así llamados quarks de valencia más un "mar" de pares quark-antiquark y gluones virtuales. Está en progreso la búsqueda de mesones exóticos que tienen constituyentes diferentes. Los quarks de valencia pueden existir en una superposición de estados de sabor; por ejemplo, el pion neutro no es ni un par arriba-antiarriba ni un par abajo-antiabajo, sino una superposición cuántica igual de ambos. Los mesones pseudoescalares “con espín 0” tienen la menor energía en reposo, donde el quark y antiquark tienen espines opuestos, y luego el mesón vectorial “con
espín 1”, donde el quark y antiquark tienen espines paralelos. Ambos presentan versiones de mayor energía donde el espín está incrementado por el momento angular orbital es decir que todos los mesones son inestables. Originalmente, se predijo que los mesones eran los portadores de la fuerza que une al protón y al neutrón, de ahí su nombre. Cuando fue descubierto, el muon se asignó a esta familia de masa similar y fue bautizado como "mesón mu", sin embargo no mostró interacción fuerte con la materia nuclear: es en realidad un leptón. El pion fue el primer mesón auténtico en ser descubierto. En 1949 Hideki Yukawa fue galardonado con el Premio Nobel de física por predecir la existencia del mesón. Originalmente lo llamo 'mesontrón', pero fue corregido por Werner Heisenberg. El Neutrón El neutrón es una partícula subatómica sin carga neta, presente en el núcleo atómico de prácticamente todos los átomos, excepto el protio. Aunque se dice que el neutrón no tiene carga, en realidad está compuesto por tres partículas fundamentales cargadas llamadas quarks, cuyas cargas sumadas son cero. Por tanto, el neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks de tipo abajo, y un quark de tipo arriba. Fuera del núcleo atómico, los neutrones son inestables, teniendo una vida media de 15 minutos (885,7 ± 0,8 s);2 cada neutrón libre se descompone en un electrón, un antineutrino y un protón. Su masa es muy similar a la del protón, aunque ligeramente mayor. El neutrón es necesario para la estabilidad de casi todos los núcleos atómicos, a excepción del isótopo hidrógeno-1. La interacción nuclear fuerte es responsable de mantenerlos estables en los núcleos atómicos. Propiedades del Neutrón El neutrón es una partícula eléctricamente neutra, de masa 1.838,4 veces mayor que la del electrón y 1,00137 veces la del protón; juntamente con los protones, los neutrones son los constitutivos fundamentales del núcleo atómico y se les considera como dos formas de una misma partícula: el nucleón. El número de neutrones en un núcleo estable es constante, pero un neutrón libre, es decir, fuera del núcleo, se desintegra con una vida media de unos 1000 segundos, dando lugar a un protón, un electrón y un neutrino. En un núcleo estable, por el contrario, el electrón emitido no tiene la energía suficiente para vencer la atracción coulombiana del núcleo y los neutrones no se desintegran. La fuente de neutrones de mayor intensidad disponible hoy día es el reactor nuclear, el neutrón tiene carga neutra.
Vista Previa Neutrón:
Neutrinos: Los neutrinos son partículas subatómicas de tipo fermiónico, sin carga y espín 1/2. Desde hace unos años se sabe, en contra de lo que se pensaba, que estas partículas tienen masa, pero muy pequeña, y es muy difícil medirla. Hoy en día (2012), se cree que la masa de los neutrinos es inferior a unos 5,5 eV/c2 lo que significa menos de una milmillonésima de la masa de un átomo de hidrógeno. Su conclusión se basa en el análisis de la distribución de galaxias en el universo y es, según afirman estos científicos, la medida más precisa hasta ahora de la masa del neutrino. Además, su interacción con las demás partículas es mínima por lo que pasan a través de la materia ordinaria sin apenas perturbarla. La masa del neutrino tiene importantes consecuencias en el modelo estándar de física de partículas ya que implicaría la posibilidad de transformaciones entre los tres tipos de neutrinos existentes en un fenómeno conocido como oscilación de neutrinos. En todo caso, los neutrinos no se ven afectados por las fuerzas electromagnética o nuclear fuerte, pero sí por la fuerza nuclear débil y la gravitatoria. El Sol: El Sol es la más importante fuente de neutrinos a través de los procesos de desintegración beta de las reacciones que acaecen en su núcleo. Como los neutrinos no interaccionan fácilmente con la materia, escapan libremente del núcleo solar atravesando también la Tierra. Aparte de las reacciones nucleares, hay otros procesos generadores de neutrinos, los cuales se denominan neutrinos térmicos ya que, a diferencia de los neutrinos nucleares, que absorbe parte de la energía emitida por dichas
reacciones para convertirla en neutrinos. De esta forma, una parte de la energía fabricada por las estrellas se pierde y no contribuye a la presión, siendo la razón por la que se dice que los neutrinos son sumideros de energía. Su contribución a la energía emitida en las primeras etapas secuencia principal, combustión del helio no es significativa, pero en los colapsos finales de las estrellas más masivas, cuando su núcleo moribundo se encuentra a elevadísimas densidades, se producen muchos neutrinos en un medio que ya no es transparente a ellos, por lo que sus efectos se tienen que tener en cuenta. Radiación Cósmica de Fondo: Se cree que, al igual que la radiación de microondas de fondo procedente del Big Bang, hay un fondo de neutrinos de baja energía en nuestro Universo. En la década de 1980 se propuso que éstos pueden ser la explicación de la materia oscura que se piensa que existen en el universo. Los neutrinos tienen una importante ventaja sobre la mayoría de los candidatos a materia oscura: Sabemos que existen. Sin embargo, también tienen problemas graves. De los experimentos de partículas, se sabe que los neutrinos son muy ligeros. Esto significa que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz. Así, la materia oscura hecha de neutrinos se denomina «materia oscura caliente». El problema es que, al encontrarse en rápido movimiento, los neutrinos habrían tendido a expandirse uniformemente en el Universo, antes que la expansión cosmológica los enfriara lo suficiente como para concentrarse en cúmulos. Esto causaría que la parte de materia oscura hecha de neutrinos se expandiera, siendo incapaz de formar las grandes estructuras galácticas que vemos. Además, estas mismas galaxias y grupos de galaxias parecen estar rodeadas de materia oscura que no es lo suficientemente rápida para escapar de estas galaxias. Presumiblemente, esta materia proveyó el núcleo gravitacional para la formación de estas galaxias. Esto implica que los neutrinos constituyen sólo una pequeña parte de la cantidad total de materia oscura. De los argumentos cosmológicos, los neutrinos reliquia (del fondo de baja energía) son estimados en poseer densidad de 56 por cada centímetro cúbico, y de tener temperatura de 1.9 K (1.7×10−4 eV), esto es, si no poseen masa. En el caso contrario, serían mucho más fríos si su masa excede los 0.001 eV. Aunque su densidad es bastante alta, debido a las extremadamente bajas secciones cruzadas de neutrinos a energías bajo 1 eV, el fondo de neutrinos de baja energía aún no ha sido observado en el laboratorio.
En contraste, neutrinos solares de boro-8, que son emitidos con una mayor energía, han sido detectados definitivamente a pesar de poseer una densidad espacial más baja que la de los neutrinos reliquia, alrededor de 6 órdenes de magnitud. El Mesón PI En física de partículas, pion o pión abreviatura pi mesón es el nombre común de tres partículas subatómicas descubiertas en 1947: π0, π+ y π−. El pion es el mesón más ligero. La explicación de esta estabilidad de los núcleos reside en los piones. Aisladamente los neutrones pueden sufrir vía interacción débil la siguiente desintegración:
Sin embargo, dentro del núcleo atómico la cercanía entre neutrones y protones hace que sean mucho más rápidas, vía interacción fuerte las reacciones:
Esto hace que continuamente los neutrones del núcleo se transformen en protones, y algunos protones en neutrones. Esto hace que la reacción apenas tenga tiempo de acontecer, lo que explica que los neutrones de los núcleos atómicos sean mucho más estables que los neutrones aislados. Si el número de protones y neutrones es desequilibrado, se abre la posibilidad de que en cada momento haya más neutrones y sea más fácil la ocurrencia de la reacción. Vista Previa del Mesón PI
Partículas Extrañas “Kaón” En física de partículas, un kaón también conocido como mesón K y representado como K es cualquier partícula del grupo de cuatro mesones que tienen un número cuántico llamado extrañeza. A pesar de que se generaban mediante interacción fuerte el hecho inesperado de que decayeran por interacción débil hacía que estos tuvieran una vida media mayor de la prevista. Por este motivo fueron llamadas en un inicio como
"partículas extrañas" lo que acabó por dar nombre al nuevo número cuántico descubierto, la extrañeza. En el modelo quark los kaones contienen dos quarks, siendo uno de ellos un quark o antiquark extraño. Leptones: En física, un leptón es una partícula con espín -1/2 (un fermión) que no experimenta interacción fuerte. Los leptones forman parte de una familia de partículas elementales conocida como la familia de los fermiones, al igual que los quarks. Un leptón es un fermión fundamental sin carga hadrónica o de color. Existen seis leptones y sus correspondientes antipartículas: el electrón, el muon, el tau y tres neutrinos asociados a cada uno de ellos. Los Quarks En física de partículas, los quarks, o cuarks, junto con los leptones, son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias especies de quarks se combinan de manera específica para formar partículas tales como protones y neutrones. Los quarks son las únicas partículas fundamentales que interactúan con las cuatro fuerzas fundamentales. Los quarks son partículas parecidas a los gluones en peso y tamaño, esto se asimila en la fuerza de cohesión que estas partículas ejercen sobre ellas mismas. Son partículas de espín 1/2, por lo que son fermiones. Forman, junto a los leptones, la materia visible. Hay seis tipos distintos de quarks que los físicos de partículas han denominado de la siguiente manera:
up (arriba)
down (abajo)
charm (encanto)
strange (extraño)
top (cima) y
bottom (fondo). Fueron nombrados arbitrariamente basados en la necesidad de nombrarlos de una manera fácil de recordar y usar, además de los correspondientes antiquarks. Las variedades extraña, encanto, fondo y cima son muy inestables y se desintegraron en una fracción de segundo después del Big Bang, pero los físicos de partículas pueden recrearlos y estudiarlos. Las variedades arriba y abajo sí se mantienen, y se distinguen entre otras cosas por su carga eléctrica.
En la naturaleza no se encuentran quarks aislados. Estos siempre se encuentran en grupos, llamados hadrones, de dos o tres quarks, conocidos como mesones y bariones respectivamente. Esto es una consecuencia directa del confinamiento del color. En el año 2003 se encontró evidencia experimental de una nueva asociación de cinco quarks, los pentaquark aunque su existencia aún es controvertida.
Científicos anuncian descubrimiento de la llamada: “Partícula de Dios” (El buscado “bossón de Higgs”)
Imagen del Centro Europeo de Partículas, que muestra una colisión entre protones en experimento en busca del “bossón de Higgs”. (Foto referencial)
Madrid, julio 5 de 2012 (EFE/AP/Reuters).- El Centro Europeo de Física de Partículas (Cern) inauguró ayer una nueva era para la exploración científica al anunciar el descubrimiento de una partícula, que de no ser el buscado “bosón de Higgs”, sería otra que abre desafíos aún más importantes para la física. La frase “Partícula de Dios” fue acuñada por el físico Leon Lederman, ganador del Premio Nobel, pero es empleada por los profanos, no por los físicos, como una manera más fácil de explicar la teoría. Según la teoría de Peter Higgs, el suyo sería el primer bosón fundamental, es decir que no está compuesto por partículas más pequeñas. En medio de vítores y ovaciones, los científicos del acelerador de partículas más grande del mundo dijeron ayer miércoles haber descubierto “la piedra angular faltante de la física”, una nueva partícula subatómica llamada bosón de Higgs, que podría ayudar a explicar por qué la materia tiene masa.
La existencia del bosón de Higgs fue teorizada por primera vez en la década de 1960, y fue buscado por al menos dos generaciones de físicos con la creencia de que ayudaría a configurar nuestra comprensión de cómo comenzó el universo y cómo se interrelacionan todos sus componentes más elementales. Más de 5 mil investigadores celebraron entre lágrimas Durante el anuncio del hallazgo en términos muy técnicos a cargo de dos equipos independientes que en conjunto sumaban más de 5.000 investigadores, el estruendo de aplausos y ovaciones rompieron el habitual silencio de los corredores de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Cern, por las siglas en francés de su nombre provisional). Hubo lágrimas en los ojos de aquellos físicos que han dedicado su vida a la búsqueda de la partícula. La nueva partícula al parecer comparte muchas de las mismas propiedades que predijeron el físico escocés Peter Higgs y otros investigadores, y es quizá el logro más importante en la Cern desde que fue fundada en 1954 en las afueras de Ginebra, a lo largo de la frontera entre Suiza y Francia. Rolf Heuer, director de la Cern, indicó que la partícula subatómica recién descubierta es un bosón, pero no quiso afirmar que sea el mismísimo bosón de Higgs, una distinción fundamental. “Como profano, creo que lo logramos”, declaró ante la feliz multitud. “Tenemos un descubrimiento. Hemos observado una nueva partícula que concuerda con un bosón de Higgs, que hasta ahora ha sido una partícula teórica, es considerado clave para comprender por qué la materia tiene masa, que se combina con la gravedad para darle peso a los objetos”. “Si no fuera científico diría que lo hemos encontrado (el bosón de Higgs)”, admitió Heuer, para enseguida destacar que este descubrimiento -corresponda o no al de la teoría de Higgs- supone un avance fenomenal en la comprensión de la naturaleza. “Si estamos ante la partícula descrita por Higgs es como si aquí se acabara todo, pero si es otro tipo de „bosón de Higgs‟ abriría posibilidades para desarrollar una nueva física, más allá del actual modelo estándar”, comentó el investigador del Cern Juan Alcaraz. Los científicos creen que la confirmación de la teoría de Higgs acelerará las investigaciones sobre la aún inexplicada “materia oscura” que creen que llena el Universo y sobre la posibilidad de que exista una cuarta o más dimensiones, o universos paralelos. La idea es parecida a la gravedad y a su descubrimiento por Isaac Newton: la gravedad estuvo allí todo el tiempo antes de que Newton la explicara.
Se presume que el bosón de Higgs también ha estado ahí siempre. Y ahora que los científicos han visto algo muy similar al bosón de Higgs, pueden darle nuevos usos a ese conocimiento. El físico y portavoz del experimento CMS, Joe Incandela, dijo a la prensa que todavía “hay incertidumbres importantes” y que por esto “es muy pronto” para decir que se trata de un (bosón de) Higgs del Modelo Estándar. Por el experimento Atlas, Fabiola Gianotti dijo que ahora “continuaremos buscando en todas las direcciones”, sin excluir ninguna posibilidad. Gianotti destacó la importancia de que los dos experimentos hayan obtenido de forma totalmente autónoma el uno del otro resultados “totalmente compatibles” Datos se obtuvieron del Gran Acelerador de Hadrones Los datos en los que se basan los experimentos se obtienen del Gran Acelerador de Hadrones (LHC) del Cern, situado en la frontera franco-suiza, donde se producen unas 40 millones de colisiones de protones por segundo, de las que se registran y analizan entre 300 y 600, a un nivel de energía que no puede ser reproducido por ninguna otra máquina. El acelerador de partículas de la Cern, llamado Gran Colisionador de Hadrones, fue construido a un costo de 10.000 millones de dólares. El dispositivo envía protones a una velocidad cercana a la de la luz, en un túnel subterráneo circular de 27 kilómetros (17 millas) de circunferencia para producir colisiones de alta energía. Los residuos de las colisiones pueden proporcionar pistas sobre la materia oscura, la antimateria y la creación del universo, que de acuerdo con las teorías de muchos, ocurrió tras una explosión gigantesca conocida con la Explosión Primordial (o Big Bang). La mayoría de las partículas resultantes de las colisiones existen solo por muy breves fracciones de segundo. Sin embargo, el hallazgo de un bosón similar al de Higgs había constituido uno de los desafíos más grandes en la física: De unas 500 billones de colisiones, solo unas cuantas decenas resultaron en “eventos” con datos significativos, afirmó Joe Incandela, de la Universidad de California en Santa Bárbara, director del equipo llamado CMS de 2.100 científicos. Los físicos del Cern dedicarán los próximos meses a investigar las propiedades de la nueva partícula “y entender bien lo que estamos viendo”, explicó Gianotti.
Sin embargo, escudriñar hasta lo más profundo de esta partícula podría tomar años porque, en este proceso, “podría descubrirse algo totalmente diferente” y poner en cuestión lo que hoy se considera una evidencia. Para intentar llegar más lejos y lo más pronto posible, la dirección del Cern decidió en las últimas horas prolongar por tres meses el funcionamiento del LHC, que debía ser apagado el próximo otoño. Ahora, este acelerador seguirá funcionando hasta finales de año, antes de que entre en un largo periodo de mantenimiento que durará aproximadamente dos años. ¿Qué es el bosón de Higgs? Es un tipo de partícula elemental que se cree tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa en el Universo. La confirmación o refutación de su existencia es uno de los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo que opera el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) en la frontera francosuiza, cerca de Ginebra. ¿Por qué es tan importante el bosón de Higgs? Porque es la única partícula predicha por el Modelo Estándar de Física de Partículas que aún no ha sido descubierta. El modelo estándar describe perfectamente las partículas elementales y sus interacciones, pero queda una parte importante por confirmar, precisamente la que da respuesta al origen de la masa. Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos, por lo que tampoco habría química, ni biología ni existiríamos nosotros mismos. Para explicar esto, varios físicos, entre ellos el británico Peter Higgs, postularon en los años 60 del siglo XX un mecanismo que se conoce como el campo de Higgs. Al igual que el fotón es el componente fundamental del campo electromagnético y de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una partícula que lo componga, que los físicos llaman bosón de Higgs. ¿Cómo funciona el mecanismo de Higgs? El campo de Higgs sería una especie de continuo que se extiende por todo el espacio, formado por un incontable número de bosones de Higgs. La masa de las partículas estaría causada por una «fricción» con el campo de Higgs, por lo que las partículas que tienen una fricción mayor con este campo tienen una masa mayor.
¿Qué es un bosón? Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son partículas que componen la materia, y los bosones portan las fuerzas o interacciones. Los componentes del átomo (electrones, protones y neutrones) son fermiones, mientras que el fotón, el gluón y los bosones W y Z, responsables respectivamente de las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, son bosones. ¿Cómo se puede detectar el bosón de Higgs? El bosón de Higgs no se puede detectar directamente, ya que una vez que se produce se desintegra casi instantáneamente dando lugar a otras partículas elementales más familiares. Lo que se pueden ver son sus «huellas», esas otras partículas que podrán ser detectadas en el LHC. En el interior del anillo del acelerador colisionan protones entre sí a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando se producen las colisiones en puntos estratégicos donde están situados grandes detectores, la energía del movimiento se libera y queda disponible para que se generen otras partículas. Cuanto mayor sea la energía de las partículas que chocan más masa podrán tener las resultantes, según la famosa ecuación de Einstein E2. Debido a que la teoría no establece su masa sino un amplio rango de valores posibles, se requieren aceleradores muy potentes para explorar este nuevo territorio de la Física. El LHC es la culminación de una «escalada energética» dirigida a descubrir el bosón de Higgs en los aceleradores de partículas. Cuando alcance su máxima potencia en el 2014, el LHC colisionará protones a una energía cercana a 14 teraelectronvoltios (TeV). Actualmente, funciona a algo más de la mitad, 8 TeV. En cualquier caso, si existe, la partícula de Higgs se producirá en el LHC. ¿Cuándo se sabrá si se ha encontrado el bosón de Higgs? En Física de Partículas el concepto de observación se define estadísicamente en términos de desviaciones estándar o «sigmas», que indican la probabilidad de que un resultado experimental se deba a la casualidad en vez de ser un efecto real. Para conseguir una mayor significación estadística, y por tanto aumentar las probabilidades de observación, los experimentos necesitan analizar muchos datos. El LHC genera unos 300 millones de colisiones por segundo, por lo que la cantidad de datos a analizar es ingente. Se mide en femtobarns inversos, unidad que da idea de la cantidad de colisiones que se produce en un acelerador de partículas por unidad de área y tiempo (luminosidad).
Si una medida tiene cinco sigmas de nivel de certeza se habla de «observacón». Para alcanzar cinco sigmas tendríamos que sacar cara más de 20 veces seguidas, una probabilidad menor de 0,00006 %. Para estar seguros de que una observación corresponde a un bosón de Higgs del Modelo Estándar y no a otra partícula diferente, será necesario estudiar en detalle y con más datos las propiedades de la nueva partícula. En concreto, si la forma en que se produce y se desintegra está de acuerdo con lo predicho por la teoría o no, lo cual sería aún más interesante. ¿Qué sabemos hasta el momento del bosón de Higgs? Búsquedas directas realizadas en anteriores aceleradores de partículas como el LEP del CERN y Tevatron, del Laboratorio Fermi de los Estados Unidos, establecieron que la masa del bosón de Higgs debe ser superior a los 114 GeV (gigaelectronvoltios; 1 gigaelectronvoltio equivale aproximaamente a la masa de un protón). Otras evidencias indirectas observadas en procesos físicos que involucran al bosón de Higgs descartaron una masa superior a 158 GeV. Resultados sobre la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC se presentaron en el CERN en diciembre del 2011, obtenidos a partir de cinco femtobarn inversos de datos recopilados desde el 2010. Estos resultados mostraron que el rango de masas más probable está entre los 116 y los 130 GeV (gigaelectronvoltios), según el experimento ATLAS, y entre 115 y 127 GeV, según el experimento CMS. Lo más interesante es que los dos grandes experimentos del LHC vieron indicios de su presencia en la región comprendida entre los 124 y los 126 GeV. ¿Qué pasa si se descubre el bosón de Higgs? Sería el comienzo de una nueva fase en la Física de Partículas. Marcaría el camino en la investigación de otros muchos fenómenos físicos como la naturaleza de la materia oscura, un tipo de materia que compone el 23% del Universo pero cuyas propiedades son completamente desconocidas. Este es otro reto para la disciplina y experimentos como el LHC.
¿Qué pasa si no se descubre el bosón de Higgs? No descubrir el bosón de Higgs en los parámetros establecidos en el Modelo Estándar obligará a formular otra teoría para explicar cómo las partículas obtienen su masa, lo que requerirá nuevos experimentos que confirmen o desmientan esta nueva teoría. Así es como funciona la ciencia. Beneficios para la sociedad de la física de partículas
La tecnología desarrollada en los aceleradores de partículas tiene beneficios indirectos para la Medicina, la Informática, la industria o el medio ambiente. Los imanes superconductores que se usan para acelerar las partículas han sido fundamentales para desarrollar técnicas de diagnóstico por imagen como la resonancia magnética. Los detectores usados para identiicar las partículas son la base de los PET, la tomografía por emisión de positrones (antipartícula del electrón). Y cada vez más centros médicos utilizan haces de partículas como terapia contra el cáncer. La World Wide Web (WWW), el lenguaje en el que se basa Internet, fue creado en el CERN por Tim Berners-Lee para compartir información entre científicos ubicados alrededor del mundo, y las grandes cantidades de datos que producen los aceleradores de partículas motivan el desarrollo de una red de computación global distribuida llamada GRID. Los haces de partículas producidos en aceleradores tipo sincrotrón o las fuentes de espalación de neutrones, instrumentos creados por los físicos para comprobar la naturaleza de la materia, tienen aplicaciones industriales en la determinación de las propiedades de nuevos materiales, así como para caracterizar estructuras biológicas o nuevos fármacos. Otras aplicaciones de la Física de Partículas son la fabricación de paneles solares, esterilización de recipientes para alimentos o reutilización de residuos nucleares, entre otros muchos campos.
Referencias Bibliográficas: Fuente: http://www.notitarde.com/notitarde/plantillas/notitarde/inota.aspx?idart=1685513&idcat =9841&tipo=2#!prettyPhoto Resnick, R. y Halliday, D. (1984). Física Vol. II. Compañía editorial continental: México. Sears, F. y Zemanski, M (1975). Física General vol. 1. Editorial Aguilar: España. Serway, R. (1997) Física: tomo 2. Mc Graw Hill: México.