Física: ¿Hay partículas indivisibles?

En física de partículas no solemos hablar directamente de indivisibilidad sino que hablamos de partículas fundamentales o elementales.

Registro del CMS que pudiera ser la firma de la partícula de Higgs. cern afp

La respuesta en realidad es muy simple porque nosotros a día de hoy sí que conocemos partículas indivisibles. Pero si filosofamos un poco habría que definir qué significa indivisible. ¿Significa que no se pueden romper o que carecen de estructura interna? En física de partículas no solemos hablar directamente de indivisibilidad sino que hablamos de partículas fundamentales o elementales. Para nosotros son partículas fundamentales aquellas en las que a día de hoy, es decir, con el rango de energías que tenemos en este momento, no se ha observado ninguna estructura interna, o lo que es lo mismo, no están compuestas por otras partículas más pequeñas. Eso son partículas fundamentales y serían, por ejemplo, el electrón y otros leptones o los quarks.
Esto que te explico es lo que hemos podido observar hasta el momento con el rango de energías de las que disponemos. Por ejemplo, en aceleradores de partículas como el LHC (Large Hadron Collider) donde yo trabajo, usamos órdenes de energía de teraelectronvoltios, es decir un billón de electronvoltios. Un electronvoltio (eV) es una unidad que correspondería a la energía necesaria para mover un electrón dentro de una diferencia de potencial de un voltio. Estaríamos hablando de cantidades de energía que traducido a longitudes de onda son del orden de 10^-18 metros. Es decir podemos detectar algo tan pequeño como eso, 10^-18 metros, que realmente es tan pequeño que está dentro de la escala subatómica.

Con estas energías tan altas lo que hacemos en el acelerador de partículas es colisionar haces de protones, estos haces de protones son partículas que no son fundamentales porque están constituidas por otras partículas, los quarks que son los que al final colisionan entre sí. Podríamos decir que con nuestro “microscopio electrónico de protones” en el LHC y los rangos de longitud de onda de los que podemos disponer en este momento no nos permiten observar una estructura interna de lo que para nosotros son las partículas elementales o indivisibles. Eso es lo que estudiamos, a lo que llamamos el modelo estándar de física de partículas que explica las partículas fundamentales y sus interacciones.

Hasta el momento sí hay una serie de partículas indivisibles que son estos electrones y quarks que están divididos en tres familias y que curiosamente no tenemos ni idea de por qué son tres. Además hay mucha variedad de masas pero solo la primera familia de estas partículas, los electrones, los quarks up y los quarks down son los que forman la materia ordinaria, es decir la materia de la que está hecho todo lo que conocemos. El resto de partículas indivisibles que hemos detectado, como los muones y otro tipo de quarks, tienen que ser creados en el laboratorio o a raíz de rayos cósmicos que atraviesan la atmósfera y dejan este tipo de muones o de partículas que nos llegan a nosotros.

Esto es lo que conocemos a día de hoy. Pero las personas que investigamos en física de partículas tenemos la puerta abierta a que cuando aumentemos el rango de energías que utilizamos pueda descubrirse que estas que ahora consideramos indivisibles o fundamentales no lo son en realidad sino que estén compuestas por otras que todavía no podemos observar porque no contamos con la energía suficiente. No lo sabemos. Pero igual que en el siglo XIX se pensaba que el átomo era indivisible, nosotros ahora pensamos que el electrón y los quarks lo son también, aunque no podemos estar completamente seguros.

Bárbara Álvarez González es doctora en Física Experimental de Partículas e investigadora en la Universidad de Oviedo e ICTEA (Instituto de Ciencias y Tecnologías Espaciales de Asturias).

Cortesía de: El País (Ciencia)

Científicos ahora aseguran que el LHC sí puede crear un agujero negro

Pese a que hace varios meses atrás una corte alemana rechazó la idea de que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) podía crear un agujero negro, ahora dos científicos pertenecientes a la Universidad de Princeton reviven la polémica, estableciendo que a partir de la colisión de dos partículas que viajan muy rápido se puede crear un agujero negro, siendo exactamente eso a lo que se dedica el LHC en la práctica.

El tema es que anteriormente se había calculado una cierta cantidad de energía para que dicha colisión provocara un agujero negro, sin embargo, estos nuevos estudios aseguran que la energía necesaria es 2,4 veces menor a lo que se pensaba inicialmente, por lo que existiría la posibilidad de que el colisionador lograse crear un agujero negro que, sin embargo, no necesariamente destruiría la Tierra, ya que puede ser uno muy pequeño e inofensivo.

William E. East y Frans Pretorius del Departamento de Física de la Universidad de Princeton, habrían demostrado su teoría y la han publicado en el diario científico Physical Review Letters, abriendo nuevamente la discusión en torno a lo peligrosos que pueden ser los experimentos del LHC, ya que durante bastante tiempo se han conducido actividades que finalmente llevaron al posible descubrimiento del Bosón de Higgs.

De todas maneras, podemos estar tranquilos durante un buen tiempo, ya que el CERN apagó la máquina por los próximos dos años con el fin de realizar reparaciones y mejoras.

Link: El LHC sí puede crear agujeros negros (ABC)

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FayerWayer

Científicos del CERN, "casi seguros" de haber encontrado bosón de Higgs

El colisionador de hadrones del CERN.

Los científicos de la Organización Europea de Investigación Nuclear, CERN, dicen que están cada vez más convencidos de que la partícula subatómica que identificaron en experimentos el año pasado es el largamente esperado bosón de Higgs.

 

Sin embargo, los investigadores dicen que aún no puede estar cien por ciento seguros. El bosón de Higgs - que explicaría por qué la materia tiene masa - ha sido descrito como la piedra angular que falta de la física.

Desde hace tiempo se teorizó sobre él y físicos de todo el mundo han estado compitiendo para confirmar la teoría con experimentos prácticos.

 

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BBC Ciencia 

Los diez hitos científicos de 2012 según Science

Cada año, los editores y expertos de la revista Science seleccionan los diez hitos científicos más destacados de cuanto ha sucedido en el transcurso de 2012. En esta ocasión, el primer puesto ha sido para el descubrimiento del bosón de Higgs, que confirma la hipótesis sobre su existencia formulada hace cuarenta años y completa el modelo estándar de la física, aportando una explicación a cómo otras partículas fundamentales obtienen su masa. Este hallazgo se logró mediante el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), cuya construcción costó $10.000 millones y se encuentra bajo tierra en la frontera franco-suiza. Con él, se aceleraron partículas como protones hasta casi la velocidad de la luz.

A la lista de grandes hitos científicos del año se suman también la obtención de óvulos a partir de células madre, la secuencia genómica del hombre de Denisova a partir de un hueso de 80.000 años de antigüedad, el descubrimiento del fermión de Majorana (una partícula que es, a la vez, su propia antipartícula), los progresos en ingeniería genómica que permiten “editar” el ADN de un ser vivo, la medición de un ángulo de las esquivas partículas conocidas como neutrinos que ayudará a entender por qué el universo contiene tanta materia y tan poca antimateria, el sistema de descenso del robot Curiosity que explora actualmente Marte, el proyecto de la Enciclopedia del ADN llamado ENCODE, los avances en la interacción cerebro-máquina que han permitido a una persona mover extremidades robóticas con el pensamiento, y el desciframiento de estructuras proteínicas del parásito causante de la enfermedad del sueño mediante láser de rayos X.

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Muy Interesante

La 'máquina del Big Bang' suspende su actividad en el CERN hasta 2015

 
El acelerador de partículas del CERN. | EM

 

El acelerador de partículas elementales más grande del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) de la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN, por sus siglas en inglés), ha suspendido las operaciones por 20 meses para un proceso de modernización que le permitirá incrementar su potencia de 8 a 14 teraelectronvoltios.

La noticia ha sido anunciada por el propio equipo del LHC en su página web, en donde han dejado el mensaje: "concluidas las operaciones de 2012. Volveremos a vernos pronto para las colisiones p-Pb (protones contra núcleos de plomo), en 2013. Las colisiones de alta energía protón-protón se reanudarán en 2015".

El LHC se despide tras haber cumplido su objetivo, detectar rastros de una partícula elemental con características similares a las del Bosón de Higgs, el pasado verano. Se trata del último elemento que faltaba en el modelo estándar de física de partículas.

El acelerador es un anillo de 27 kilómetros ubicado en la frontera entre Francia y Suiza y valorado en más de 6.000 millones de euros. Se puso en marcha en 2008 y, con una que otra pausa técnica, estuvo operativo durante unos tres años generando choques de protones de energía cada vez mayor.

El CERN ha señalado que, en este tiempo, el LHC ha realizado 6.000 billones de choques y, de estos, 400 produjeron resultados compatibles con partículas similares al bosón de Higgs. "El trabajo del LHC ha superado todas las expectativas en los últimos tres años y ha hecho logros fantásticos", ha señalado en un comunicado el director del acelerador, Steve Myers.

Los choques se iniciaron en 2008 a bajas energías y fueron aumentando paulatinamente, hasta la actualidad, cuando los dos haces circulaban a una energía de 4 teraelectronvoltios, por lo que los choques se produjeron a una energía de 8 Teraelectrovoltios.

Con las nuevas mejoras técnicas y el aumento de energía, se espera poder observar otro tipo de fenómenos que confirmen definitivamente la existencia del Bosón de Higgs.

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El Mundo Ciencia

¿Qué hay después del bosón de Higgs?

¿Es curioso y le gustaría saber cómo está hecho todo lo que vemos en el universo? El descubrimiento del bosón de Higgs es, si se confirman sus características, la pieza que faltaba para conseguirlo. Sin él no existiríamos. Pero ¿qué más sorpresas nos esperan?

El físico teórico Peter Higgs durante una visita en el detector CMS, del acelerador de partículas LHC en 2008. / CERN

“¿Por qué se emocionó la gente con la relatividad de Einstein, cuando yo era un niño, allá por los años treinta? ¿Por qué la gente adora las buenas fotos de Saturno? ¿Por qué tantas personas se preocuparon tanto cuando Plutón fue degradado como planeta? ¿Por qué fascina la materia oscura y la energía oscura del universo?”, comenta el premio Nobel de Física Sheldon Lee Glashow al plantearse la repentina popularidad, todo un exitazo mundial, de una nueva partícula elemental, minúscula, pero esencial para comprender de qué estamos hechos, bautizada con el extraño nombre de bosón de Higgs y recién descubierta, o casi. El hallazgo, anunciado el pasado 4 de julio en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), junto a Ginebra, culmina más de medio siglo de búsqueda científica con enormes esfuerzos de investigación en el mayor complejo de máquinas de experimentación científica que se ha construido jamás. Y ahora ¿Qué hay después Higgs? ¿Qué nuevos fenómenos de la naturaleza pueden surgir en el gran acelerador de partículas LHC y sus detectores, en los que el Higgs se ha hecho realidad por fin?

Los físicos, por supuesto, siguen en la brecha, intentado siempre desvelar los enigmas de la naturaleza. Y para ellos un descubrimiento es siempre un escalón más, nunca el final de la escalera. Pero a veces el hallazgo es tan importante que condiciona los siguientes pasos a dar. El bosón de Higgs no es una partícula cualquiera, dice Glashow, es la última pieza que faltaba en la teoría contemporánea que describe como están hechas las cosas, todo lo que vemos en el universo. “Y juega un gran papel”, añade, con su habitual entusiasmo este físico estadounidense de la Universidad de Boston.

Una colisión de partículas registrada en el detector Atlas en el que se ha producido un posible bosón de Higgs. / CERN / ATLAS

“Sin el Higgs no existiríamos”, apunta el director del CERN, el alemán Rolf Heuer. “Cuando estudiamos los componentes más pequeños de la materia, abordamos las mayores preguntas del universo, y el bosón de Higgs nos dirá cómo las partículas fundamentales de las que todos estamos hechos adquieren su masa y, por tanto, permiten la existencia de cosas complejos, como los seres humanos”, comenta.
Heuer fue quién presentó, el 4 de julio, en el auditorio del CERN y con transmisión por internet a todo el mundo, las charlas de Joe Incandela y Fabiola Gianotti, los portavoces de los dos enormes detectores Atlas y CMS en los que habían por fin aparecido las huellas del ansiado bosón de Higgs. Daniel Froidevaux dice que “fue un momento mágico”. Para este físico suizo que empezó a proyectar y trabajar en el experimento Atlas hace 25 años “ha sido una suerte inmensa, porque nadie te puede garantizar que en tu vida profesional vayas a presenciar un descubrimiento así”. Se emocionó, reconoce, hasta las lágrimas, el 4 de julio, pero ya mira hacia adelante, como todos los expertos, confiando en que el LCH proporciones señales de un universo desconocido. Ese es realmente el objetivo del gran acelerador, dice.
La idea básica de este tipo de máquinas (y el LHC es la más potente jamás construida) es hacer chocar frontalmente partículas –protones, en el acelerador de Ginebra- aceleradas hasta casi la velocidad de la luz de manera que en las colisiones y, siguiendo las leyes de la física, formen otras partículas, casi siempre conocidas, pero a veces, muy de vez en cuando, nuevas, como el bosón de Higgs.

Encontrar el famoso bosón ha sido muy difícil, “como dar con un tipo especial de copo de nieve en una gran nevada”, señala Heuer.

Pero pueden desvelarse más secretos de la naturaleza. Nuevas familias de partículas que ahora solo son hipótesis de los teóricos, incluso huellas de nuevas dimensiones espaciales que puedan existir además de las tres en las que vivimos (alto, ancho y largo) y que estén escondidas en el microcosmos, son algunas posibles piezas a cazar en el CERN en los próximos años.

Conviene hacer un somero repaso de cómo es y cómo funciona el microcosmos. La materia de nosotros mismos, de todo lo que nos rodea y lo que vemos en el cosmos, incluidos planetas, estrellas y galaxias, está formada por partículas elementales gobernadas por fuerzas fundamentales. Los átomos son objetos compuestos por un núcleo rodeado de electrones (que parecen ser partículas fundamentales, indivisibles), y el núcleo esta hecho de protones y neutrones (en muchos casos), a su vez formados por quarks, estos si indivisibles (por lo que ahora se sabe). Pues bien, los físicos, a lo largo del siglo XX y con la estrategia eficaz de combinar observaciones, experimentos y teorías que los expliquen, han logrado describir esas partículas y sus interacciones en el llamado Modelo Estándar (MS), verificado y comprobado con una precisión enorme.

“El bosón de Higgs nos dirá cómo las partículas adquieren su masa y permiten la existencia de cosas complejas”

El modelo estándar describe las partículas elementales y como funcionan. Es un poco como un kit con distintas piezas y las instrucciones para montarlas. Las piezas son las partículas que constituyen la materia y las instrucciones describen como funcionan, es decir las fuerzas entre ellas, que curiosamente, consisten en intercambios también de partículas. Las piezas son 12 partículas (como los quarks o los electrones) organizadas en tres familias, y las fuerzas de interacción del MS son también tres: el común electromagnetismo, la fuerza débil responsable de las desintegraciones radiactivas y la fuerza fuerte que mantiene unidos los quarks en los protones y neutrones del núcleo atómico.

Pero el MS no es perfecto y una de sus deficiencias importantes, además de no lograr acomodar en ella la cuarta fuerza, la gravedad, es su incapacidad de explicar por qué unas partículas tienen masa y otras no, y por qué las primeras tienen masas diferentes. Y aquí se incorporó el bosón de Higgs al MS como solución teórica, hace casi medio siglo. Esta partícula es la manifestación del denominado campo de Higgs con el que interaccionan más o menos intensamente las partículas que tienen masa, y nada las que no la tienen (como el fotón de la luz). Este mecanismo fue propuesto por varios físicos teóricos (el británico Peter Higgs, entre otros), pero ha sido muy difícil comprobar si era correcto, si la naturaleza funciona realmente así, y sólo con el descubrimiento experimental del bosón concreto empiezan a aclararse las cosas.
La partícula que los físicos de Atlas y CMS anunciaron el 4 de julio es un bosón (un tipo de partículas) y muy posiblemente el que se estaba buscando, pero los expertos no están aún seguros, así que lo primero es estudiarlo con más detalle y salir de dudas. “Determinar si es exactamente esa partícula o si hay más bosones de Higgs adicionales requerirá analizar los datos del LCH durante las próximas una o dos décadas y el estudio, probablemente, continuará en un futuro acelerador diseñado especialmente para medir con alta precisión sus propiedades”, dice Aurelio Juste Rozas, investigador del Instituto de Física de Altas Energías (IFAE, en Barcelona) y miembro del experimento Atlas.

También considera que la cosa llevará tiempo Marcos Cerrada, del Ciemat, físico del CMS. “Pero si se trata precisamente del bosón de Higgs, sabemos perfectamente qué características debe tener”, añade.

Igualmente pide paciencia Froidevaux: “A finales de ese año sabremos un poco más, pero bien podemos tardar diez años en caracterizar el nuevo bosón y verificar que sus propiedades son compatibles con el Modelo Estándar”. De manera que el camino inmediato a seguir con el LHC esta claro, no así lo que se puede descubrir.

“El LHC tiene mucho recorrido. La nueva etapa que aumentará la energía nos abre una región inexplorada”

Hay que tener presente que el descubrimiento “se ha alcanzado mucho antes de lo esperado inicialmente tras analizar tan solo un 1% de las datos que se esperan acumular con este acelerador, lo cual es prometedor de cara a unos futuros descubrimientos que puedan estar aguardándonos”, advierte Juste Rozas.

El LHC seguirá funcionando hasta diciembre; luego, a principios de 2013 se apagará para realizar, durante dos años, las adaptaciones necesarias antes de encenderlo de nuevo a finales 2014 con el doble de energía. “Yo no esperaría otro gran descubrimiento antes del próximo diciembre, pero yo no decido, decide la naturaleza, así que uno nunca sabe…”, reconoce Heuer.

“Después del Higgs, ¿El diluvio?”, se pregunta con ironía el físico teórico del CERN Luis Álvarez Gaumé. “Esperemos que sea un diluvio lleno de sorpresas y descubrimientos nuevos. El análisis de lo que podría ser la partícula de Higgs continúa y hay que poner mucha atención para ver si existen anomalías sistemáticas en los datos que indiquen de forma indirecta la existencia de una realidad más allá de la que conocemos”.

Lo interesante de la física de partículas a principios del siglo XXI es que si es asombroso lo mucho que conocen y entienden los científicos de cómo es el universo en sus componentes más elementales, más asombroso aún es lo muchísimo que desconocen y que intenta desvelar con teorías e hipótesis y, necesariamente, con experimentos que demuestren su veracidad. Se refieren a todo esto como “nueva física”, porque saben que el Modelo Estandar, por bien que funcione, no es la última palabra, no es perfecto, dejan cabos sueltos…. Luego no puede ser la descripción definitiva del mundo subatómico.

“Personalmente espero que si hay otro descubrimiento sea una sorpresa, algo que no esperamos, pero tengo muchas esperanzas de encontrar indicios, por ejemplo, de partículas supersimétricas”, dice Incandela. “La filosofía es no dejar ninguna piedra sin levantar: buscamos indicios de partículas supersimétricas, indicación de dimensiones extra, una cuarta generación de partículas, etcétera. Se busca sistemáticamente lo esperado por todo tipo de teorías, pero también lo inesperado, intentado simplemente observar desviaciones de las predicciones del modelo estándar”, apunta Martine Bosman, del IFAE.

De esas partículas supersimétricas no ha aparecido aún señal alguna en los experimentos, pero abundan en las discusiones entre los físicos teóricos, en los artículos científicos, los congresos y las charlas en las instituciones de física de todo el mundo, incluido el CERN. Se trata de un nuevo modelo teórico que engloba al Modelo Estándar y que supera en parte sus limitaciones. Y, según las predicciones de esas teorías supersimétricas, llamadas SUSY, debe existir todo un conjunto de nuevas partículas primas de las ya conocidas, pero con características propias, denominadas supersimétricas. Nadie sabe si realmente existen, ni siquiera aparecerían en los experimentos del gran acelerador de Ginebra, caso de existir. Pero se buscan con ahínco. “El LHC tiene mucho recorrido todavía: la etapa siguiente en la que se aumentará la energía, nos abre una nueva región inexplorada hasta ahora”, avanza Cerrada.

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El País Ciencia

Casi tan caliente como el Big Bang

El LHC utiliza plomo acelerado para estudiar el estado primordial de la materia

El experimento Alice explora el plasma a 100.000 veces la temperatura del Sol

• DESCARGABLE El experimento Alice en cómic (CERN)

 

Simulación de una colisión de núcleos de plomo en el detector Alice del acelerador LHC. / CERN / ALICE

Cuando la materia se calienta hasta temperatura extrema, tan extrema como 100.000 veces la del centro del Sol, suceden cosas raras. Los átomos dejan de ser átomos e incluso los núcleos atómicos se disgregan en sus componentes fundamentales para formar un nuevo estado de la materia, una sopa de partículas con propiedades exóticas. Así debió de ser el universo al principio, en los primeros instantes después del Big Bang, mucho antes de que al expandirse y enfriarse aquel cosmos primitivo pudieran formarse los átomos y luego las estrellas, las galaxias, los planetas...

¿Cómo reproducir en el laboratorio esas condiciones de altísima temperatura? El gran acelerador de partículas LHC, en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN, junto a Ginebra), además de servir para cazar el famoso bosón de Higgs, sirve para generar minúsculas gotas de esa sopa supercaliente de partículas elementales (quarks y gluones). Pero, para ello, en lugar de acelerar y colisionar protones, hay que acelerar y hacer chocar plomo, o más bien, núcleos de plomo. Uno de los grandes experimentos del LHC, el Alice, está especializado precisamente en la exploración de ese microcosmos ardiente y cuenta con un mes al año de colisiones de plomo acelerado en el LHC o, como se ha ensayado hace unos pocos días, de plomo contra protones.

“El plasma de quarks y gluones debió de ser el estado de la materia más abundante, si no el único, durante las primeras milmillonésimas de segundo tras el Big Bang, pues la temperatura que reinaba por aquel entonces era de un billón de grados centígrados, lo que equivale a un 1 seguido de 12 ceros, es decir, un millón de veces la temperatura del interior del Sol, que no de la superficie, que está en unos 6.000 grados”, comenta Ginés Martínez, director de investigación del CNRS francés, que lidera el equipo de Alice de su laboratorio en Nantes. “En el LHC nos acercamos pues a esas temperaturas del principio del universo al crear microgotas de ese plasma de quarks y gluones que duran una billonésima de billonésima de segundo”, continúa.

En las colisiones del acelerador LHC se han alcanzado 5,5 billones de grados

“Con Alice tenemos la oportunidad de observar y estudiar las propiedades de ese estado primordial de la materia”, explica Despina Hatzifotiadou, física del experimento. De momento, continúa, en las semanas de colisiones plomo/plomo que ya se han hecho en el LHC, en 2010 y 2011, se ha observado cómo esta sopa de quarks y gluones se comporta como un líquido perfecto, prácticamente sin fricción, y opaco. “Además, hemos batido un récord al crear la mayor temperatura en el universo: unos 5,5 billones de grados kelvin”, añade. Es la temperatura que tendría el universo 10 milmillonésimas de segundo después de la gran explosión inicial, dice Carlos Pajares, que lidera el grupo español de la Universidad de Santiago que participa en Alice. “Se trata de estudiar precisamente la transición de fase entre el estado de las partículas elementales tal y como están en los componentes del núcleo atómico a esa sopa de quarks y gluones”, añade este físico teórico.

En el LHC estaba previsto que tras la fase actual de colisión de protones (hasta final de año) hubiera un mes de colisiones de plomo/plomo en enero. Pero han cambiado ligeramente los planes, explica Hatzifotiadou, y serán choques de haces de plomo contra haces de protones, lo que permitirá a los físicos hacer comparaciones de las propiedades del plasma con diferentes tipos de colisión.

Un millar de físicos e ingenieros de 31 países trabajan en Alice, uno de los cuatro gigantescos detectores de partículas del LHC (otros dos, el Atlas y el CMS, también aportan información en esta vertiente de la investigación de la sopa de quarks y gluones). No hay que olvidar que aunque Alice se sitúe en los récords de energía y temperatura, la instalación estadounidense RHIC avanzó mucho en este camino del nuevo estado de la materia en la última década, recuerdan los expertos. Allí se crearon, hace 10 años, las primeras gotas de la sopa de quarks y gluones, apunta Martínez.

Los quarks parecen prisioneros eternos confinados dentro de los protones

Es todavía un misterio sin resolver por qué los protones y los neutrones de los núcleos de los átomos tienen una masa cien veces superior a la de los quarks que los forman y por qué sus quarks parecen ser sus prisioneros eternos.

Para entender estos dos problemas hay que repasar un poco la composición del átomo, que está formado por un núcleo y electrones; el núcleo, a su vez, está formado por protones y neutrones y cada uno de estos, por tres quarks, unidos por la denominada fuerza fuerte, de la que se ocupan los gluones. Pues bien, los quarks no se pueden separar unos de otros, están confinados dentro del protón o del neutrón, y cuanto más fuerte intenta uno separarlos, más fuertemente se unen. Es como si estuvieran sujetos con una goma (los gluones), que resulta más y más difícil estirar cuanto más tensa está. Pero a partir de un momento, a muy alta temperatura, la goma se rompe y esas partículas elementas, en libertad, forman la famosa sopa, explica Pajares. ¿Cómo? ¿Por qué? ¿Qué reglas rigen esa transición y sus propiedades? Este es el terreno de los físicos de Alice.

Otro misterio pendiente es el de la masa del protón. Resulta que los tres quarks que lo forman “representan solo el 1% de su masa, esa cuyo origen se explica con el mecanismo del bosón de Higgs”, argumenta Martínez. ¿Y el resto? “El 99% restante de la masa se crea por el proceso de confinamiento de quarks”, añade.

Fuente:

El País Ciencia

La materia más caliente lograda por la ciencia

La materia lograda mediante la colisión de iones de plomo alcanzó una temperatura superior a los cinco billones de grados centígrados.

Más de cinco billones de grados centígrados. Ésta es la temperatura récord lograda en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el mayor acelerador de partículas del mundo.

La materia más caliente obtenida hasta ahora por la ciencia es el resultado de la colisión de iones de plomo, uno de los ensayos con los que el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares, CERN, busca recrear las condiciones existentes en el Universo primigenio.

Uno de los detectores de partículas del LHC, que busca recrear las condiciones fugaces posteriores al Big Bang. 

 

La teoría indica que en los microsengundos posteriores al Big Bang o Gran Explosión, el modelo más aceptado para explicar el origen del Universo, éste consistía en una "sopa primordial" en que quarks y gluones, las estructurs básicas de la materia, se movían libremente y no estaban confinadas en partículas compuestas como protones y neutrones, como ocurre actualmente. Ese estado de la materia posterior a la Gran Explosión, que habría tenido lugar hace unos 13.700 millones de años, se conoce como plasma de quarks-gluones.

El plasma ya había sido recreado anteriormente en el Colisionador de Brookhaven, Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en Estados Unidos, mediante el choque de iones de oro, pero la temperatura alcanzada entonces fue menor, cuatro billones de grados centígrados.

"En este campo lo récords se establecen para ser superados", dijo Jurgen Schukraft, del CERN. Las colisiones tuvieron lugar en 2011, pero evaluar la gran cantidad de datos resultantes fue un proceso complejo y prolongado. Los científicos examinaron cerca de mil millones de colisiones para lograr medidas precisas.

El nuevo récord fue confirmado en la conferencia Materia Quark 2012, que tiene lugar esta semana en Washington.

100.000 veces más caliente que el Sol

Los experimentos realizados con iones de plomo en el último año buscan recrear por un momento fugaz la "sopa primordial".

"El campo de la física de iones pesados es crucial para demostrar las propiedades de la materia en el Universo primigenio, lo que representa una de las cuestiones clave de los fundamentos de la física para los que se diseñaron el LHC y sus experimentos", señaló, Rolf Heuer, director general del CERN.

"Estamos entrando en una apasionante nueva era de investigación de alta precisión sobre la interacción de la materia gracias a los mayores índices de energía producidos en laboratorio"

Joseph Incandela, CERN

En la conferencia de Washington se presentarán estudios sobre el estado de la materia en las condiciones más densas y de mayor temperatura que se han obtenido en laboratorio, gracias a proyectos del CERN asociados al LHC, como ALICE, ATLAS y CMS.

En julio, CERN anunció el descubrimiento de una nueva partícula, que podría ser el buscado Bosón de Higgs -también llamado "partícula de Dios".

La partícula ha sido objeto de una búsqueda de 45 años para explicar cómo la materia alcanza su masa. Sin ella, todo volaría a la velocidad de la luz y el Universo como lo conocemos no podría existir.

Joseph Incandela, científico del CERN, dijo que "estamos entrando en una apasionante nueva era de investigación de alta precisión sobre la interacción de la materia gracias a los mayores índices de energía producidos en laboratorio".

El CERN ha recreado temperaturas 100.000 veces más altas que la del interior del Sol y densidades 100.000 veces superiores a la de una estrella de neutrones, es decir, el remanente dejado por una estrella supergigante tras agotar el combustible nuclear en su núcleo y explotar como una supernova.

Fuente:

BBC Ciencia

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Peter Higgs: 'Nunca pensé que esto ocurriría estando yo con vida' (informe completo)

Pero antes de leer el post queremos preguntarle... ¡sabe usted lo que es el bosón de Higgs? Sin no lo sabe vea el siguiente video: 

Y esta es la conferencia de prensa del día de ayer donde el CERN anuncia haber descubierto el bosón de Higgs. Véalo:

 

"Sorprendido". Así describe su estado de ánimo el hombre de momento, Peter Higgs. "Nunca pensé que esto ocurriría estando yo con vida". Nada le hacía presagiar hace cerca de 50 años que este momento llegaría tan pronto, "sobre todo porque al principio no sabíamos qué teníamos que buscar. Estoy sorprendido de que haya llegado tan rápido", confiesa.


En 1964, Higgs describió con la sola ayuda de un lápiz y un papel las ecuaciones que predicen la existencia de una partícula nunca vista, pero necesaria para que funcione el Modelo Estándar sobre el que se basa la física actual. Ahora se pregunta: "¿Podríamos decir que es suficiente para la declaración de un descubrimiento?". Parece que ser que sí.


El físico asegura que esta verificación de lo que parece ser la existencia del Bosón de Higgs, "es sólo el comienzo". Apunta a que el hallazgo podría ser "más interesante de lo que aparenta a simple vista".


No obstante, explica que "hay muchas cosas que faltan por medir. Eso será una forma de adentrarnos en la física más allá del modelo estándar y eso será lo verdaderamente importante".
Higgs se muestra emocionado por estar aquí en este momento y confiesa estar impaciente, esperando más noticias sobre ello.


Este miércoles, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) dio a conocer el descubrimiento de una nueva partícula subatómica que confirma con más de un 99% de probabilidad la existencia del Bosón de Higgs (la 'partícula de Dios'), un hallazgo fundamental para explicar por qué existe la materia tal y como la conocemos.


Fuente:


El Mundo Ciencia

¿Y qué pasa si lo observado por el LHC no es el bosón de Higgs?

El descubrimiento anunciado por el CERN nos permite afirmar que se ha encontrado una partícula, un bosón, con las características esperadas, pero puede ser distinto del bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar. ¿Qué incógnitas quedan por descubrir y cuáles son los siguientes pasos? Los intentos por aclarar sus características pueden conducirnos hacia una nueva Física.

Lo que el CERN ha anunciado este miércoles es una noticia histórica. Las lágrimas del propio Peter Higgs y las ovaciones de los físicos asistentes a la conferencia son más que elocuentes. Pero no se puede decir con rigor que sea el bosón de Higgs. El propio director del CERN, Rolf Heuer, ha sido bastante explícito."Se ha encontrado un bosón tipo Higgs", ha explicado, "pero aún no sabemos si es "EL" bosón de Higgs".

¿Tiene importancia esta discusión? Depende de cómo se mire, pero puede ayudarnos a entender cuáles serán los siguientes pasos a dar en el LHC y qué es lo que hoy se ha descubierto. Pero sobre todo esconde la gran cuestión: si las características de la nueva partícula no se corresponden con las que predice Higgs, estamos ante una puerta a una Física más allá del Modelo Estándar.

--> El bosón de Higgs explicado a mi abuela

Para empezar, la partícula detectada por el CERN responde a las características que concuerdan con el bosón de Higgs, pero para conocer si lo es se deben estudiar sus propiedades. "No se puede decir que es el bosón de Higgs ni muchísimo menos. Que es un bosón, sí", explica el catedrático de Física de la Universidad de Granada Fernando Cornet a lainformacion.com. "Que sea compatible no quiere decir que sea necesariamente el Higgs". Francisco Matorras, investigador del Instituto de Física de Cantabria (IFCA) que participa en el experimento CMS, pone un ejemplo que ha utilizado el propio CERN. "Esto es como ver a una persona de lejos y pensar que has encontrado a un amigo. Lo has reconocido entre la multitud, pero resulta que tu amigo tiene un hermano gemelo. Ya sabemos que no es un desconocido, ni tu tío o tu primo, pero aún no podemos decir cuál de los dos hermanos es". En otras palabras, matiza Cornet, sabemos que es "blanco y en botella", pero no sabemos cómo sabe ni como huele. Tenemos indicios compatibles con que sea leche, pero podría ser horchata.

"Necesitamos más datos", no se ha cansado de decir Fabiola Gianotti, directora del experimento ATLAS. Pero, ¿por qué necesitan más datos para afirmar que es el Higgs, se preguntan algunos, si estos resultados están confirmados al 99,99995% con un sigma 5? Ese 99,99%", aseguran los físicos consultados por lainformacion.com, se refiere a la certidumbre de que lo que se ha encontrado sea una partícula compatible con las características de Higgs y no una fluctuación de fondo. “Como estás buscando el Higgs, crees que es eso”, insiste Matorras, “pero hasta que puedas mirar mejor las propiedades no puedes asegurarlo".

"Lo que hemos visto tiene una significación estadística muy cercana a lo que se llama descubrimiento", indica el investigador español en CMS Javier Cuevas Maestro. "Ahora nos falta conocer el resto de propiedades. Si no es el bosón de Higgs genuino, lo que va a ocurrir es que el Modelo Estándar será correcto al 95% y va a haber que explicar un 5% con un modelo que lo extienda".

¿Qué sabemos del bosón hallado hoy? Sabemos que tiene espín entero (es un bosón), conocemos su masa (los famosos 125 Gigaelectronvoltios) y que se desintegra en algunos canales de una manera compatible con lo que se esperaba en el Modelo Estándar. En los próximos meses se realizaran más análisis en el LHC para conocer sus propiedades y estos nuevos datos pueden apuntar  varias vías que nos separarían de lo que es el bosón de Higgs tal y como estaba predicho en la teoría.

Para sorprender a los científicos podría ocurrir que el bosón encontrado no se desintegre como se espera. En los resultados anunciados hoy el experimento CMS ha encontrado señales claras en dos de los cinco canales principales en los que se desintegra el Higgs (fotón-fotón y ZZ) y ATLAS ha ofrecido resultados solo en esos dos canales. Si dentro de unos meses, cuando se hagan más pruebas, sigue sin aparecer en estos canales, se confirmaría experimentalmente que existe un bosón tipo Higgs pero no sería el del Modelo Estándar y tendría que haber alguna modificación. "Esto", sugiere Cornet, "daría lugar a modelos más complicados".

Una variante de esta anomalía es algo que ya se ha visto hoy, y es que en el canal fotón-fotón y de dos bosones Z la señal aparece con más frecuencia de lo esperado. El número de señales de este tipo en CMS es 1,7 veces por encima de lo esperado, explica Matorras. Y ATLAS presenta  un valor menor pero también por encima. "Esto puede significar que o has hecho mal las cuentas (lo cual es raro)", asegura, "o bien que hay alguna cosilla más". "Si se mantiene esa observación", apunta Cornet, "quiere decir que esa partícula no es el bosón de Higgs, es otra cosa".

Otra posibilidad es que tenga un espín distinto al esperado. Para que todo cuadre, debería tener espín cero (tiene que ver con el modo en que interacciona la partícula). La teoría pide que sea un escalar, espín cero y con paridad positiva, explican los físicos. Si no es así, dice Cornet, "entonces sería una partícula en una teoría absolutamente diferente, donde a lo mejor podría haber un montón de partículas con muchos espines". Esta puerta abriría la posibilidad, como ya ocurrió en su momento con protones y neutrones, de que algunas partículas que consideramos elementales en realidad no lo sean y que la masa se deba a su estructura interna que no conocemos.  

Otra de las propiedades donde se pueden encontrar "sorpresas" es en los modos de producción del Higgs, explica Javier Cuevas Maestro. Si reproducen los modos de producción a la inversa, puede que encuentren cosas que no coincidan. "Si la proporción que se produce no fuese correcta, tendríamos un problema", asegura, "eso querría decir que en ese modo de producción hay acoplamientos del Higgs que no son los esperados en el Modelo Estándar".

Estos nuevos datos son a los que se refiere el físico Peter Higgs cuando afirma, en una entrevista con el CERN (ver vídeo), que lo emocionante es que se abre un camino a una nueva Física más allá del Modelo Estándar. "Lo que se puede descubrir", explica  Cornet, "es que estamos ante un mecanismo de Higgs más complicado, ante formas más complicadas de dar masa a las partículas. O que los cálculos den lugar a un espectro nuevo de partículas".

En cualquier caso, estas incógnitas son las que empezarán a plantearse los físicos a partir de esta semana, pues "la obsesión" hasta el día de hoy era determinar si ésta era o no era la partícula que se buscaba. "Había una posibilidad de que no existiera el Higgs", confiesa Matorras. "Hoy podríamos estar anunciando que no existe el bosón de Higgs en absoluto y que no hubiéramos visto aparecer esas desintegraciones. Al estar excluido en el resto de rango de masas, podríamos haber descartado su existencia". Si hubiera sido así, la Física se habría encontrado ante una especie de callejón sin salida muy interesante. Los nuevos resultados  siguen en la línea esperada pero, como siempre en ciencia, el camino puede estar lleno de sorpresas.

Fuente:

La Informaciòn Ciencia

Descubren la 'partícula de Dios' que explica cómo se forma la materia

Especial: Partícula de Dios 

Descubren la 'partícula de Dios' que explica cómo se forma la materia

• Descubren una nueva partícula 'consistente' con el bosón de Higgs
• Esta partícula explica cómo la materia obtiene su masa en el Universo
• El director del CERN califica el hallazgo como un 'hito histórico'

La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) acaba de escribir un capítulo crucial en la historia de la Física, al descubrir una nueva partícula subatómica que confirma con más de un 99% de probabilidad la existencia del bosón de Higgs, conocido popularmente como la 'partícula de Dios', un hallazgo fundamental para explicar por qué existe la materia tal y como la conocemos.

Con los resultados presentados hoy, la existencia del bosón de Higgs -la partícula subatómica teorizada por el físico británico Peter Higgs en los años sesenta, y que supone el único ingrediente del Modelo Estándar de la Física que aún no se había demostrado experimentalmente- es prácticamente un hecho.

Si no fuera por el bosón de Higgs, las partículas fundamentales de las que se compone todo, desde un grano de arena hasta las personas, los planetas y las galaxias, viajarían por el Cosmos a la velocidad de la luz, y el Universo no se habría 'coagulado' para formar materia. Por ese motivo, el editor del físico Leon Lederman creyó oportuno cambiar el título de su libro llamado originalmente 'The goddamn particle' ('La puñetera partícula') por el de 'The God particle' (La 'partícula Dios', aunque popularmente se ha traducido como 'la partícula de Dios').

En 1964, Higgs describió con la sola ayuda de un lápiz y un papel las ecuaciones que predicen la existencia de una partícula nunca vista, pero necesaria para que funcione el Modelo Estándar sobre el que se basa la física actual. Es la partícula fundamental de lo que se conoce como el mecanismo de Higgs, una especie de campo invisible presente en todos y cada uno de los rincones del universo y que hace que las partículas inmersas en él tengan masa.

El bosón de Higgs es el componente fundamental de ese campo, de la misma manera que el fotón es el componente fundamental de la luz. Si la 'partícula de Dios' no existiera, tampoco existiría nada material en el Universo.

"Puedo confirmar que se ha descubierto una partícula que es consistente con la teoría del bosón de Higgs", explicó John Womersley, director ejecutivo del Consejo de Tecnología y Ciencia del Reino Unido, durante una presentación del hallazgo en Londres.

Joe Incandela, portavoz de uno de los dos equipos que trabajan en la búsqueda de la partícula de Higgs, aseguró que "se trata de un resultado todavía preliminar, pero creemos que es muy fuerte y muy sólido".

Tras terminar su presentación, el estruendoso aplauso en el auditorio no cesaba a pesar de que Incandela trataba de pedir la palabra para agradecer a toda la organización la colaboración y el ambiente científico donde ha podido desarrollar su investigación.

Nervios y emoción

En el auditorio estaba presente el propio Peter Higgs, con cuyo apellido se bautizó al mítico bosón, quien no pudo contener las lágrimas al escuchar los resultados que han confirmado su teoría. "Sólo quiero dar las gracias a todas las personas que han estado relacionadas con este trabajo. Es lo mas increíble que me ha pasado en toda la vida", aseguró el científico emocionado.

La presentación de estos resultados ha tenido lugar en la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (ICHEP 2012) que se celebra en Melbourne (Australia), donde se están exponiendo los resultados obtenidos por los experimentos ATLAS y CMS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en 2012. El director del CERN, Rolf Heuer, ha comenzado la conferencia nervioso y ha afirmado que "hoy es un día muy especial en todos los sentidos".

ATLAS, uno de los dos experimentos del CERN que busca el bosón de Higgs, ha confirmado la observación de una nueva partícula a un nivel de 5 sigma (una forma de medir la probabilidad de que los resultados sean ciertos que ronda el 100%). Esta medición implica que la probabilidad de error es de tres en un millón, una cifra que, oficialmente, es suficiente para dar por confirmado un descubrimiento.

"Es dificil no estar emocionado con estos resultados", ha dicho Sergio Bertolucci, director de investigación del CERN. "Con toda la precaución necesaria, me parece que estamos en un punto rompedor".

"Es un hito histórico, pero estamos solo al principio", ha declarado por su parte Heuer, el director del CERN.

Muy cerca del objetivo

Los datos del CERN no son todavía tan concluyentes como para poder afirmar con total certeza que han encontrado la 'particula de Dios', pero están realmente cerca de alcanzar ese objetivo. "Hemos encontrado un nuevo bosón con una masa de 125,3 gigaelectrónvoltios (una medida usada por los fisicos para cuantificar masas muy pequeñas), con un grado de consistencia de 4,9 sigma. Estamos de acuerdo con el modelo estándar en un 95%, pero necesitamos más datos", explicó Icandela.

"Observamos en nuestros datos claros signos de una nueva partícula, con un nivel de confianza estadística de 5 sigma (superior al 99,99994%), en la región de masas de alrededor de 125 gigaelectrónvoltios. El excepcional funcionamiento del LHC y ATLAS, y los enormes esfuerzos de mucha gente, nos han llevado a esta emocionante etapa", asegura la portavoz del experimento ATLAS, Fabiola Gianotti, "pero se necesita un poco más de tiempo para preparar estos resultados para su publicación".

El portavoz del experimento CMS, Joe Incandela, explica: "Los resultados son preliminares, pero la señal de 5 sigma alrededor de 125 gigaelectrónvoltios que estamos viendo es dramática. Es realmente una nueva partícula. Sabemos que debe ser un bosón y es el bosón más pesado jamás encontrado". Para Incandela, "las implicaciones son muy significativas y es precisamente por esta razón por lo que es preciso ser extremadamente diligentes en todos los estudios y comprobaciones".

Gran expectación

El pasado mes de diciembre ya se habló de un posible anuncio del CERN. En aquella ocasión los expertos señalaron que se "había cerrado el cerco" en torno a la partícula, por lo que ya estaban más cerca de encontrarla.

Además, el director general del CERN, Rolf Heuer, señaló la semana pasada que ya podría haber datos "suficientes" para hallar el Bosón de Higgs. En un artículo en 'The Bulletin', Heuer indicó que "hallar el Bosón de Higgs es una posibilidad real y que, a menos de dos semanas para que se celebre la conferencia ICHEP, la noticias de los experimentos se esperado ansiosamente".

A pesar de estas palabras, Heuer ha pedido a la comunidad científica que tenga "un poco más de paciencia". En este sentido, recordó que aunque ATLAS o CMS muestren datos que supongan el descubrimiento de la partícula "siempre se necesita tiempo para saber si es el Bosón de Higgs buscado durante mucho tiempo -el último ingrediente que falta en el Modelo Estándar de física de partículas- o si se trata de una forma más exótica de esta partícula de que podría abrir la puerta a una nueva física".

Nivel de certeza

Los físicos de partículas mantienen un consenso general acerca de lo que se puede considerar un 'descubrimiento': un nivel de certeza de 5 sigmas. La cantidad de sigmas mide la improbabilidad de obtener un resultado experimental fruto de la suerte en lugar de provenir de un efecto real.

Se suele poner como ejemplo el lanzamiento de una moneda al aire y ver cuántas veces sale cara. Por ejemplo, 3 sigmas representarían una desviación de la media equivalente a obtener ocho caras en ocho lanzamientos seguidos. Y 5 sigmas, 20 caras en 20 lanzamientos.

La toma de datos para la ICHEP 2012 concluyó el lunes 18 de junio después de un "exitoso primer periodo" de funcionamiento del LHC durante este año, según ha explicado del CERN. Precisamente, Heuer ha señalado que es el "impresionante trabajo" que ha tenido el LHC en 2012 lo que "ha elevado las expectativas de cara a un descubrimiento".

El equipo de expertos que trabaja para la organización en Ginebra ha diseñado la actividad del LHC para el primer periodo de 2012 de manera que obtuviera la máxima cantidad de datos posibles antes de que se celebrara el ICHEP. De hecho, se han obtenido más datos entre abril y junio de este año que en todo 2011. "La estrategia ha sido un éxito", ha indicado el director general del CERN.

Fuentes:

El Mundo Ciencia

ABC Ciencia

Especial: Partícula de Dios

¿Por qué buscamos el bosón de Higgs?   

El próximo 4 de julio se espera un importante anuncio por parte del CERN acerca de la búsqueda del bosón de Higgs. Fernando Cornet, catedrático de Física Teórica de la Universidad de Granada, nos ofrece una panorámica del contexto histórico y del camino que se ha recorrido hasta aquí. 

El 13 de diciembre del pasado año se celebró en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), situado en Ginebra, una sesión científica y posterior rueda de prensa en la que se presentaron a científicos expertos y a toda la sociedad los últimos, y muy esperados, resultados en la búsqueda del bosón de Higgs.  

En aquel momento dos de los más grandes experimentos que se desarrollan en el CERN, llamados ATLAS y CMS, mostraron una pequeña señal que podría indicar la existencia de esta partícula. Sin embargo, la señal era excesivamente pequeña como para ser incontestable, por lo que la búsqueda debía proseguir. Ahora se anuncia para el día 4 de julio una nueva sesión científica y rueda de prensa en la que se mostrará una actualización de los datos con los resultados de la búsqueda realizada a lo largo del 2012. Pero, ¿qué es el bosón de Higgs? y ¿por qué tanto revuelo para anunciar su posible descubrimiento?

--> Actualización: El CERN cantará Bingo pero no será el 'Gran Bingo'

Desde la antigüedad el ser humano se ha preguntado de qué está formada la materia que nos rodea y nosotros mismos. La respuesta a esta pregunta ha ido variando a lo largo del tiempo. En el siglo XIX se pensaba que en última instancia toda la materia se reducía a una serie de átomos de diferentes tipos, indivisibles, que se combinaban entre sí para dar lugar a la gran variedad observada a nuestro alrededor.

Posteriormente, a principios del siglo XX, se descubrió que los átomos no eran indivisibles si no que constaban de protones y neutrones, formando los núcleos de los átomos, y electrones dando vueltas alrededor de los núcleos. Actualmente s sabemos que los protones y neutrones tampoco son indivisibles sino que son distintas combinaciones de unas partículas más pequeñas, llamadas quark “arriba”  y “abajo” (up y down en inglés). De esta forma el protón es una combinación de dos quarks de tipo “arriba” y un quark de tipo “abajo”, mientras que el neutrón es una combinación de dos quarks de tipo “abajo” y uno de tipo “arriba”.

Estos quarks, junto con el electrón, son los últimos constituyentes de la materia que hoy en día consideramos como indivisibles. Pero además hay más partículas a las que no les hemos visto ninguna estructura interna, y por lo tanto consideramos como indivisibles. Hay otros cuatro quarks similares a los ya comentados, haciendo un total de seis quarks y, además, hay seis leptones (el electrón es uno de ellos) que también son indivisibles. Muchas de estas partículas tienen una masa mayor que la de los quarks “arriba” y “abajo” y los electrones, lo que hace que sean partículas muy inestables y se desintegren muy rápidamente por lo que aunque se crearon al principio de la historia del universo, poco después de la Gran Explosión (Big Bang), ahora ya no queda ninguna y solo se producen de forma artificial en los aceleradores de partículas y de forma natural en algunos fenómenos de muy alta energía en objetos astronómicos.

Por otra parte, las interacciones entre quarks y leptones se producen mediante el intercambio de nuevas partículas a las que llamamos de forma genérica bosones intermediarios. Tampoco hemos observado ningún tipo de estructura interna de estas partículas, por lo que también se califican como elementales. Las interacciones relevantes entre las partículas elementales son la Fuerte y la Electrodébil (Interacción unificada de lo que antes era la Interacción Electromagnética y la Débil). La Interacción Gravitatoria entre partículas elementales es extremadamente débil y podemos olvidarnos de ella.

Pues bien, cada una de estas interacciones tiene asociado un conjunto de bosones intermediarios. Los gluones están asociados a la Interacción Fuerte y los fotones y las partículas llamadas W y Z a la Electrodébil. De estas partículas, los gluones y los fotones tienen masa nula, pero los W y Z tienen una masa grande y que hemos medido con mucha precisión en los últimos años.

En los párrafos anteriores ha surgido la palabra clave: la masa. La masa es una propiedad básica de todas las partículas elementales. De hecho es la primera propiedad que los físicos intentamos medir y determinar con la máxima precisión posible. Como hemos dicho, sabemos que muchas de esas partículas tienen masa. 

La del electrón, por ejemplo,  la conocemos desde hace más de 100 años. Otras las hemos medido en los últimos 20 años. Sin embargo, la teoría que describe las interacciones de los quarks y los leptones a través de los bosones intermediarios exige, en primera instancia, que todas estas partículas carezcan de masa, en abierta contradicción con múltiples medidas experimentales.

Aquí es donde entra en escena Peter Higgs, un físico escocés que encontró una forma sencilla de dotar de masa a todas estas partículas, lo que hoy conocemos como Mecanismo de Higgs. Una consecuencia ineludible de esta forma de dar masa a las partículas elementales es la existencia de una nueva partícula, desconocida hasta el momento a la que se ha dado en llamar bosón de Higgs. Esta es la partícula que andamos buscando desde hace muchos años, porque es la única partícula del llamado Modelo Estándar que no hemos encontrado experimentalmente hasta el momento. Y sin la existencia de esta partícula no entendemos fácilmente las masas que observamos de todas las partículas.

¿Se han acabado ya los largos años de búsqueda? ¿Tenemos ya una clara evidencia de la existencia del bosón de Higgs? Una primera respuesta a estas preguntas la podemos tener el próximo día 4 de julio. De todas formas, y como siempre ocurre en ciencia, nuevas preguntas surgirán. Pero esperemos a ver los resultados que se anunciarán en Ginebra y disfrutemos de ellos antes de empezar a plantearnos nuevas preguntas.

   

Fernando Cornet es catedrático de Física Teórica del Centro Andaluz de Física de Partículas (CAFPE), Universidad de Granada.

Fuente:

La Información Ciencia

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El bosón de Higgs explicado a mi abuela

Una revisión informal de la historia de la partícula de Higgs

Mucha gente dice que mi blog es muy técnico y difícil de entender. La verdad es que para mí no es fácil utilizar un lenguaje sin jerga. Esta entrada es informal y muchos físicos me tirarán de las orejas, pero así es como le conté a un buen amigo, periodista, hace solo unos días, la historia del Higgs. Lo dicho, quizás os guste o quizás no.

El problema original que resolvió Higgs es teórico, buscar los límites de un teorema matemático que entonces conocían (y preocupaba a) muy pocas personas en todo el mundo, el teorema de Nambu-Goldstone. El teorema predecía que el universo estaba plagado de partículas sin masa que nadie había observado. Si así fuera, no existiríamos, pero como existimos, tenía que haber una puerta trasera para salir del entuerto. Planteado alrededor de 1960, la solución se obtuvo en 1964 (por los pocos a los que preocupaba resolver esta tontería, ex-alumnos de Nambu y Goldstone, obviamente).

Como resultado de la solución tenía que existir una partícula (la de Higgs), pero no importaba que nadie la hubiera observado porque su masa era arbitraria y por tanto podía ser tan grande que no afectase en nada en absoluto a toda la física conocida entonces. Problema resuelto, todos nosotros podíamos existir (bueno, ya existíamos, pero me entendéis…)

Para qué servían estas ideas. Para nada. Una chorrada técnica más. Hasta que dos alumnos de Goldstone, llamados Weinberg y Salam aplicaron en 1967 la idea de Higgs a una teoría propuesta por Glashow en 1961. Nadie les hizo ni caso. Imaginaos qué chorrada. Puro exotismo teórico. De hecho, Weinberg abandonó esta línea de trabajo porque no llevaba a ninguna parte y se puso a trabajar en cosmología; muchos habréis leído su famoso libro de divulgación “Los tres primeros minutos del universo.”

Pero resulta que en 1971 uno de los pocos que trabajaban en estas chorradas (había poquísimos en todo el mundo), le mandó a uno de sus alumnos, uno de los mayores genios de la historia reciente, ‘t Hooft, que resolviera un sencillo ejercicio: demostrar lo que todo el mundo sabía, que la teoría de Weinberg-Salam-Glashow era incorrecta y no servía para nada (en lenguaje técnico que no era renormalizable). El ejercicio de Veltman estaba orientado a entrenar a ‘t Hooft en el estudio de la renormalizabilidad de la gravedad cuántica para un gravitón masivo (problema mucho más duro que también resolvió el chaval, que hoy ya es Premio Nobel).

La enorme sorpresa fue que la teoría era renormalizable (gracias a las técnicas inventadas por Veltman y a que ‘t Hooft utilizó un programa de ordenador para hacer los cálculos, el mismo que ahora, mejorado, utilizan muchos físicos jóvenes). Gracias a esta propiedad se podían realizar cálculos con la teoría de Weinberg-Salam-Glashow (antes la teoría no servía para nada porque nadie podía calcular nada con ella). 

Lo maravilloso fue que los cálculos coincidían con la realidad. En 1973 ya se sabía que tenía que ser la teoría correcta, porque era la única que describe todo lo que conocemos, la única capaz de hacerlo, entonces y ahora, porque aún sigue siéndolo.

Poder calcular las predicciones de una teoría es maravilloso porque permite demostrar que la teoría es incorrecta. Se calcula todo lo que predice, se comprueba que falla y listo, ya nos podemos poner manos a la obra y desarrollar una teoría mejor. Pero aquella teoría, llamada modelo estándar, no ha fallado nunca.
Nunca quiere decir nunca. Eso sí, la teoría permite añadir o quitar ciertas cosas. Los neutrinos pueden tener masa o no tenerla. La navaja de Ockham prefiere que no la tengan, pero nada prohíbe que la tengan. 

Cuando se descubrió que la tenían, pues nada, ningún problema se mete y punto (todavía no sabemos bien cómo hacerlo porque hay dos opciones, que los neutrinos sean partículas de Dirac o de Majorana, pero no importa en esta historia).

Sin embargo,  también hay cosas que no podemos poner o quitar a la ligera. Una de ellas es el llamado mecanismo de Higgs. Sabemos que existe, está demostrado en los experimentos y funciona a las mil maravillas. En palabras sencillas este “mecanismo” es equivalente a que, a baja energía el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil están separadas, pero a alta energía están unificadas. Más de 40 años de experimentos (más o menos desde 1973) lo han demostrado fuera de toda duda. A baja energía son dos fuerzas separadas. A alta energía son una única fuerza. Estoy simplificando las cosas, pues a alta energía son también dos fuerzas, pero otras dos diferentes que a baja energía; los detalles no son importantes y el nombre que se usa es fuerza electrodébil, que alude a una unificación con “pegamento” (el mecanismo de Higgs).

La versión más sencilla del mecanismo de Higgs (la original de 1964) predice la existencia de una partícula, el bosón de Higgs. Hay versiones más avanzadas que predicen varios bosones de Higgs, e incluso que no predicen ninguno. Bastan pequeños retoques en la teoría (“pequeños” quiere decir que ha costado 40 años dominarlos a la perfección y que los físicos teóricos jóvenes si no los dominan suspenden los exámenes y no reciben su título universitario).

El mecanismo de Higgs es maravillosamente simple pues solo tiene un parámetro libre (en su versión mínima) y todo se calcula a partir de dicho número. Solo un número. ¡Qué maravilla! ¿Cuál es ese número? El número mágico es la masa del bosón de Higgs. Este número puede ser cero, infinito o cualquier otro número. Bueno, ya Higgs sabía en 1964 que no es cero (no existiríamos) y que el número más grande posible es la masa más grande compatible con el modelo estándar, la masa de Planck. Pero para la teoría da lo mismo que el número sea 1 GeV, 100 GeV, 10 TeV, o 10¹⁹ GeV (la masa de Planck). He dicho para la teoría, pero no para el experimento.

La existencia del Higgs influye en las demás partículas y esa influencia permite saber más o menos cuál es su masa. Alrededor de 1985 se pensaba que la masa estaba entre 1 GeV (0,001 TeV) y 10.000 GeV (10 TeV), por eso el SSC (Superconducting Super Collider) se diseñó para alcanzar colisiones hasta 40 TeV. En 1995 (tras el descubrimiento del quark top) se pensaba que la masa estaría entre unos 10 GeV y unos 1000 GeV. Por la parte baja, unas decenas de GeV, se pensaba que LEP y luego LEP 2 podrían descubrirlo, pero al final solo descubrieron que la masa es mayor de 114,4 GeV. Por la parte alta, se diseñó el LHC con colisiones hasta 14 TeV para poder explorar hasta los 2000 GeV y se pensaba que el Tevatrón con colisiones de casi 2 TeV podría descubrir el Higgs con una masa hasta unos 200 GeV. No fue así. Resulta que el Higgs tiene una masa alrededor de 120 GeV, la región inalcanzable para LEP2 y la región más difícil para el Tevatrón.

El LHC ha tenido suerte, dentro de la mala suerte que es tener un accidente gravísimo como el de 2009. 

Funcionando a medio gas, con colisiones a 7 TeV hasta 2011 y a 8 TeV en 2012 puede descubrir un Higgs con una masa alrededor de 120 GeV en poco tiempo (solo unos años). Además, está funcionando a las mil maravillas. Este año, el LHC está explorando el rango de masas entre 110 y 800 GeV. El año pasado explorando entre 100 y 600 GeV observó una señal alrededor de 125 GeV. Si se confirma, conoceremos ese parámetro que nos falta, la masa del bosón Higgs (o de uno de los bosones, pues solo importa que sea el que menos masa tenga, con eso basta para que todo funcione a las mil maravillas).

¿Cuántas colisiones hay que analizar en el LHC para descubrir el Higgs? El número es “fácil” de calcular (un físico teórico joven debería ser capaz de calcularlo tras unas semanas de trabajo hasta segundo orden (de la teoría de perturbaciones), es decir, hasta NLO). Por supuesto, calcular a tercer orden NNLO (u otros cálculos más avanzados, como los NLL) son temas de investigación en la actualidad; para sorpresa de muchos, yo entre ellos, los cálculos NLO y NNLO difieren casi en un 50% cuando se esperaba una diferencia menor del 5%. No es que sea difícil realizar estos cálculos, pero requiere mucho tiempo de ordenador, mucho tiempo, y por tanto se requiere cierta “experiencia” para guiar los cálculos del ordenador y hacerlos en un tiempo razonable.

Cuando se realiza este cálculo (que a NLO está publicado por doquier) lo que se descubre es que aún no hay colisiones suficientes para un descubrimiento (del bosón de Higgs del modelo estándar mínimo). Hay muchos primos del bosón de Higgs para los que sí hay colisiones suficientes y muchos otros para los que nunca habrá colisiones suficientes en el LHC.

¿Qué se dirá el 4 de julio? No lo sé. Pero quien piense que se publicará el descubrimiento definitivo del Higgs debe saber que no puede ser el Higgs del modelo estándar, será uno de sus primos. La estadística nunca miente. Siento decepcionarte, pero no quiero engañarte. El anuncio no será más gordo que el de diciembre de 2011. La razón es muy sencilla, se han analizado un número insuficiente de colisiones para asegurar 100% un descubrimiento. A lo más, se ratificará la señal ya observada, lo que para los físicos es muy importante, pero recuerda mis palabras, desde el CERN en la rueda de prensa dirán que todavía no se puede asegurar al 100% que el Higgs existe.

Hay muchos rumores, pero siendo realistas, 5 sigmas de significación local no es suficiente para que los directores del CERN proclamen un descubrimiento. Ellos son así. No quieren volver a cometer el error de Carlo Rubbia en 1984 (cuando proclamó con un número de colisiones insuficiente que el quark top había sido descubierto con una masa de unos 40 GeV). La significación global es imposible que alcance 5 sigmas, los números no salen (esto es como sumar 2+2, por mucho que quieras no da 22), al menos antes de diciembre de 2012 (y siempre que todo vaya viento en popa y a toda vela en el LHC; crucemos los dedos).

Recuerda que esto es como cuando se supo que la Tierra era “redonda” y se le podía dar la vuelta. Maravilloso. Un gran descubrimiento. Pero hasta que alguien no intentó darle la vuelta no se hicieron descubrimientos de verdad. Aquí pasa lo mismo. Una partícula que parece ser el Higgs es solo eso, un candidato a ser el Higgs. Estudiar su física en detalle requiere una fábrica de Higgs que produzca miles al año (no bastan unos pocos, menos que los dedos que tenemos para contarlos).

Fuente:

Francis Science News