martes, 27 de mayo de 2008

Bosón de Higgs y el LHC

Recientemente se anunció que comenzarán los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) buscando la confirmación de la existencia de un importante "ladrillo" en la construcción del Modelo Estandar de la física de partículas: el Bosón de Higgs.

Esto, por supuesto, si como resultado del experimento no ocurren pequeños percances como ser la aparición de aujeros negros, materia extraña o vórtices que conduzcan a Universos paralelos...

La teoría conocida como Modelo Estandar ha podido describir tres fuerzas fundamentales de la Naturaleza: el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil (hemos hablado de alguna de ellas anteriormente). La cuarta fuerza básica, la gravedad, no ha sido explicada por este modelo.

El Modelo Estandar ha sido exitoso (es exitoso, en realidad) ya que explica la dinámica de las fuerzas entre partículas de una manera relativamente simple. Simpleza no significa, en este caso, reduccionismo: otro éxito del Modelo Estandar está relacionado con la predicción de un gran número de partículas que luego, experimentalmente, fueron encontradas en los laboratorios de altas energías.

Siguiendo con la simplificación, digamos que existen dos grandes clasificaciones de partículas: las que obedecen a la estadística de Fermi (o fermiones) y las que siguen la estadística de Bose-Einstein (o bosones). Muy básicamente, los fermiones están sujetos al principio de exclusión de Pauli, que implica, por ejemplo, que solamente un electrón puede ocupar un determinado estado cuántico dentro de un átomo.

El principio de exclusión de Pauli permite, entre otras cosas, que la materia tal como la conocemos sea "impenetrable", a pesar de estar compuesta de átomos cuyo volúmen es casi todo vacío.

Los bosones, por otro lado, son de alguna manera mas sociables. Pueden, y de hecho lo hacen, trabajar juntos dentro de estados cuánticos iguales sin ningún problema.

De alguna manera, los fermiones son excluyentes y restrictivos. Los bosones no.
(hay fermiones, como los electrones, que bajo ciertas cirscunstancias pueden trabajar como bosones: el caso emblemático con los pares de electrones en los fenómenos superconductivos).

El Modelo Estandar, entonces, permite relacionar a los fermiones con los bosones. Los primeros conforman la materia, los segundos las fuerzas de interacción.

Para estudiar a estas partículas se utilizan microscopios. No del tipo óptico, sino dispositivos mucho mas sofisticados, grandes, caros y fuertes consumidores de energías.

Un acelerador de partículas es, para los fines prácticos, exactamente igual a un microscopio: es la herramienta utilizada para penetrar en los niveles mas básicos y pequeños de la materia.

Asi como el poder de un microscopio puede relacionarse con su capacidad de aumento, el poder de resolución de un acelerador de partículas es proporcional a la energía con la que trabaja. A mayores energías (medidas en múltiplos de electrones-volt o eV), mayor el "poder de resolución".

En realidad debería decir que a mayor energía, mas masivas serán las partículas que podrán "verse" como resultado del experimento.

Esto se explica entendiendo un poco el funcionamiento de un acelerador de partículas. Como su nombre lo indica, y con diferentes técnicas, ciertas partículas son aceleradas dentro de un anillo a velocidades proporcionales al nivel de energía deseado.

Un segundo flujo de partículas es acelerado de la misma manera, pero en sentido opuesto.

En el momendo indicado, los dos haces simplemente se hacen colisionar. Los resultados del experimento se buscan en los "desechos" de las colisiones, que son, en general, partículas diferentes a las que chocaron.

Las colisiones ponen en juego el doble de energía que transporta cada haz individual.

Como Einstein nos contó, la energía y la materia están intimamente relacionadas.

Por ello, como resultado de las colisiones pueden aparecer partículas mucho mas masivas (energéticas) que aquellas que colisionaron.

Para darles una idea, los electrones (y sus antipartículas, los positrones) tienen asociada una masa del orden de los 500 KeV (500.000 eV).

El quark Top tiene asociada una masa del orden de los 170 GeV (170.000.000.000 eV). Es evidente que "ver" a un quark Top es muy difícil, de hecho ha sido una partícula especialmente esquiva por las energías necesarias a poner en juevo para manifestarla.

A los científicos les queda por ver una partícula mas. Los primeros cálculos la situaban poco arriba de los 100 GeV, pero sucesivas correcciones la llevan a un piso en el orden de los 180 GeV y un límite superior de 1 TeV !!!

Esta partícula, conocida como Bosón de Higgs, es importante para ratificar al Modelo Estandar: las matemáticas del mismo implican que, en ausencia del Campo de Higgs (cuyo Bosón de Higgs es "meramente" un cuanto), todas las partículas que conocemos se moverían a la velocidad de la luz y, por consiguiente, no tendrían masa.

Por mecanismos que exceden el objetivo de esta entrada, y relacionado con el párrafo anterior, se especula con que el Campo de Higgs, de existir, es el responsable de que las partículas tengan masa (y, por ende, que Ud. y yo podamos existir).

El Bosón de Higgs es también conocido como la Partícula de Dios o Partícula Divina, de acuerdo con el título del gran libro "The God Particle" de Leon Lederman. Este libro, medio difícil en su segunda mitad, está escrito de una manera ágil y muy divertida, por lo que me parece muy recomendable para quienes puedan leerlo en inglés (desconozco si hay versión traducida al español disponible en la Argentina).

3 comentarios:

Borbo dijo...

Exelente descripcion, increiblemente bien explicado, gracias por ayudarnos a algunos como a mi a aclarar algunas dudas.

Me gustaria preguntarte y a todos aquellos q lean esto si ya se seba algo sobre los resultados del experimento, ¿ha sido visto el boson, o hay algun avance a este respecto?, de antemano gracias por su respuesta y le agradeceria aun mas si me pudiera recomendar algunos libros, claro, de estos temas.

saludos

Flacus dijo...

Hola Borbo,

Gracias por tu mensaje y tus comentarios.

Respecto al estado de los experimentos en el CERN, todavía nada... Lo bueno es que si hay una chance de éxito, pues es esta máquina la que lo puede lograr!!

Libros... creo que te puedo recomendar algunos (además de "The God Particle" que menciono en el post), pero tendrás que esperar un par de días hasta que regrese a casa de mi viaje.

Por si a alguien mas le interesa, colocaré las recomendaciones en un post nuevo.

Anónimo dijo...

esra terrile mal descrita la wea