Amazings Bilbao «La búsqueda del bosón de Higgs» (segunda versión)

Por Francisco R. Villatoro, el 29 septiembre, 2011. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Colaboración Naukas.com (antes Amazings.es) • Física • Physics • Prensa rosa • Science ✎ 1

La segunda charla que preparé para Amazings Bilbao estaba pensada para tener unas 12 transparencias con figuras divertidas extraídas de la web La Aventura de las Partículas. Además, para darle un toque de humor tenía pensado incluir algunas figuras de transición, en plan visto y no visto, como una caricatura de ZP junto a Rajoγ; a alta energía ambos serían delgados y a baja energía ZP sería muy gordo y Rajoγ seguiría siendo delgado (en un globo ZP decía «me he comido el Higgs… digo la crisis»); ahora no me hace tanta gracia, así que la omito. Mi idea era gesticular mucho con las manos conforme hablase, pero omitiré aquí describir los gestos. Bueno, al grano, espero que os guste.

Tiempo de presentación: 10 minutos ajustados.

Todos estamos hechos de átomos, incluso las mulas. En vuestros cuerpos hay unos 59 elementos químicos diferentes. Una persona que pese 70 kg (como yo… bueno, como cuando yo los pesaba) tiene unos 7 mil billones de billones de átomos en su cuerpo. Hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, … pero también oro y uranio. Sí, así es, por cada 70 kg de peso vuestros cuerpos contienen unos 0,2 miligramos de oro y unos 0,1 miligramos de uranio. Ya sabéis que no hay que ir a Fukushima para emitir radioactividad.

Todos los átomos están hechos de electrones y quarks. Los electrones son partículas con carga eléctrica negativa que orbitan un núcleo con carga eléctrica positiva. Los electrones están unidos al núcleo gracias a un campo eléctrico (a la interacción electromagnética mediada por los fotones, partículas de luz).

Los quarks que forman el núcleo atómico están agrupados en tríos, que llamamos protones y neutrones. Hace 40 años se descubrió que los protones y los neutrones estaban compuestos de quarks. Hay dos tipos de quarks en vuestro cuerpo, los quarks tipo arriba con una carga positiva 2/3 de la del electrón y los quarks tipo abajo con una carga negativa 1/3 de la del electrón. Un protón tiene dos quarks arriba y uno abajo, por ello tiene una carga positiva total opuesta a la del electrón. El neutrón está formado por dos quarks abajo y uno arriba y es neutro (para la carga eléctrica). Sabemos que los protones están compuestos de quarks gracias a experimentos en los que se hace colisionar electrones de muy alta energía contra un protón. La mayoría de los electrones pasa a través del protón como si estuviera vacío, pero algunos chocan contra los quarks y rebotan; gracias a estos rebotes podemos conocer sus propiedades físicas.

Los quarks están unidos entre sí dentro del protón gracias a la interacción fuerte o de color. Los quarks tienen carga eléctrica (positiva o negativa) y carga de color (con tres valores llamados rojo, verde y amarillo). En el protón, los tres quarks están rodeados de innumerables gluones, las partículas portadoras de la interacción fuerte y que son capaces de cambiar el color de los quarks. Hay 8 tipos diferentes de gluones. Los hadrones son partículas neutras para la carga de color formadas en su interior por partículas que sí están coloreadas (quarks y gluones). Los protones y los neutrones están unidos entre sí en el núcleo gracias a una interacción efectiva, una fuerza residual de la interacción fuerte. Esta fuerza es mucho más fuerte que la repulsión eléctrica entre los protones que tienen carga positiva.

Un átomo pesado con muchos neutrones y protones en su núcleo puede desintegrarse en átomos menos pesados, es decir, puede ser radioactivo. Un quark abajo puede transformarse en un quark arriba, convirtiendo un neutrón en un protón y desestabilizando el núcleo del átomo, que puede fisionarse en dos. En este proceso la conservación de la carga obliga a que se emita un electrón y además resulta que se emite otra partícula, el neutrino. Todas estas partículas, los dos leptones, el electrón y el neutrino, y los dos quarks, el arriba y el abajo, forman un conjunto de partículas llamado primera generación. Hoy en día se conocen dos generaciones más, formadas por partículas como las anteriores pero de mayor masa. Nadie sabe por qué hay tres generaciones de partículas y no cuatro o dos.

La interacción entre un electrón y un quark puede ser electromagnética, por el intercambio de un fotón (una partícula de luz), o mediante la interacción débil, mediante el intercambio de un bosón Z neutro o de un bosón W cargado. Los bosones Z y W son partículas muy parecidas al fotón, pero con una masa enorme, el Z tiene unas 97 veces la masa de un protón y el W unas 86 veces. Cuando los electrones tienen una energía inferior a la masa de estas partículas, el electromagnetismo y la interacción débil son dos interacciones completamente diferentes. Sin embargo, cuando los electrones tienen una energía superior a unas 230 veces la masa del protón (216 GeV decimos los físicos), el fotón y los bosones Z y W todos se comportan de forma idéntica, como si no tuvieran masa en reposo. Es un hecho experimental que a estas energías es imposible distinguir un fotón de un bosón Z. Electromagnetismo e interacción débil están unificadas en una única interacción, llamada electrodébil.

Una billonésima de segundo después de la gran explosión, el big bang, la interacción electrodébil sufre una transición de fase (a unos 216 GeV) y se separa en dos interacciones muy diferentes en apariencia. En este proceso los bosones Z y W adquieren una masa en reposo enorme y la interacción débil se vuelve una interacción de muy corto alcance y muy débil comparada con el electromagnetismo. Para entender esta transición de fase los físicos han propuesto un mecanismo llamado ruptura espontánea de la simetría electrodébil o mecanismo de Higgs para abreviar.

El mecanismo de Higgs predice que todas las partículas adquieren una masa en reposo a baja energía (por debajo de los 216 GeV), aunque en realidad sean partículas con masa en reposo nula (como el fotón) a alta energía. La masa en reposo es una propiedad que solo permite diferenciar a las partículas a baja energía, siendo irrelevante a muy alta energía.

El mecanismo de Higgs predice la existencia de un partícula residual, llamada bosón de Higgs, asociada al hecho de que el fotón no adquiere masa tras la transición de fase electrodébil. La transición de fase más conocida es la congelación del agua a 0º C. El agua presenta una simetría exacta: desde dentro podemos mirar en todas direcciones y veremos siempre los mismo, agua. Sin embargo, el hielo es un cristal con simetría hexagonal (acordaros de los copos de nieve) y mirar dentro del hielo en ciertas direcciones es diferente a mirar en otras; la simetría exacta del agua se ha rota en una simetría más sencilla.

El vacío en física de partículas no está vacío, contiene campos que presentan ciertas simetrías. Si pego un salto, el campo gravitatorio de la Tierra hace que vuelva a caer, incluso en el vacío. Los físicos creemos que el vacío está relleno de un campo de Higgs y de campos asociados a todas las partículas. Durante la transición de fase electrodébil, el campo de Higgs sufre un cambio (se condensa en un estado de Bose-Einstein) y como resultado todas las partículas para las que se rompe las simetría de la teoría electrodébil adquieren masa en reposo; sin embargo, la simetría asociada al electromagnetismo no se rompe, se mantiene exacta a baja energía y el fotón sigue sin masa.

El mecanismo de Higgs predice que el campo de Higgs interactúa consigo mismo y aparece a baja energía como una partícula con masa, el bosón de Higgs. Esta partícula predicha por los físicos aún no ha sido encontrada en los experimentos. Hablando un poco a la ligera podemos decir que todas las partículas adquieren masa “comiéndose un bosón de Higgs” y que el propio bosón de Higgs es caníbal y puede comerse a sí mismo. La teoría no predice la masa del Higgs, hay que descubrir un Higgs para saber cómo interactúa consigo mismo, por ello, su búsqueda a ciegos ha costado tantos años. Sin embargo, ya ha llegado el momento de la gloria. Los físicos creemos que el año que viene el bosón de Higgs será descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones, el LHC, en el CERN.

La gran noticia científica del año próximo será el descubrimiento, por fin, del bosón de Higgs.



1 Comentario

  1. Una vez más, la mejor explicación para simples ignorantes como yo.

    Por supuesto, cabrá esperar que se encuentre, con cierta energía, un bosón con algunas de esas características; luego vendrán las madres mías y la complicación de la teoría.

    De todas formas, ¿cómo se va a poder encontrar una partícula de la que sabemos sólamente cómo se mueve (bosón) si el propio movimiento podría estar subyugado al entrelazamiento (entanglement)? Llamadme pretencioso, pero especulo que antes de encontrar todas las propiedades algebraicas del bosón, se debería de entender el álgebra de los fermiones con el principio de exclusión de Paulí.

    Que los bosones no cumplan ese principio no implica que en su dinámica no deba haber una explicación del entrelazamiento y, por tanto, la física que explica al bosón de Higgs, en mi modesta opinión, debe de asumir los problemas del entrelazamiento.

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