monografia boson de higgs
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INTRODUCCIÓN
La masa es un concepto tan ordinario que uno ni se pregunta por qué las
cosas tienen masa, por qué pesan, y se da por hecho de que el mundo es así.
Pero desde el punto de vista teórico es una pregunta que tiene gran importancia
porque es muy difícil encontrar el mecanismo que dota a las partículas de esa
masa. El mecanismo más ingenioso para explicarlo es el de Higgs, y una
consecuencia necesaria es la existencia de esta partícula, el bosón de Higgs, que
resulta ser la confirmación de que la teoría que se ha ideado para entender por
qué las partículas tienen masa era correcta.
Si no existiera el bosón de Higgs las partículas no tendrían masa y, al no
tenerla, lo que harían sería viajar a la velocidad de la luz como si fueran radiación.
De esta manera el universo estaría lleno de energía que, simplemente, navegaría
hacia un lado y hacia otro y nunca condensaría, no formaría estructuras.
Este hallazgo sirve para cerrar un capítulo de la Física y abrir otro nuevo,
en el que lógicamente surgirán nuevas cuestiones.
Con este descubrimiento se rompen las barreras que impedían avanzar.
El nombre de ‘partícula de dios’, como se ha dado en llamar en los medios
de comunicación al esperado bosón de Higgs, no parece ser aceptada por la
comunidad científica que no encuentra ningún fundamento para que sea así
tratada con la carga religiosa que conlleva.
En consecuencia eso tiene un origen completamente extracientífico. Fue un
físico, Lederman, que escribió un libro sobre partículas y le llamó `La Partícula
Maldita´ (Goddammit, en inglés), pero al editor no le gustó porque no era
políticamente correcto en Estados Unidos y el autor, con ironía, lo cambió por el
título de `La partícula de Dios´. Luego eso ha calado en los medios de
comunicación, pero no tiene ninguna razón de ser”.
I. LA FÍSICA DE PARTÍCULAS.
1.1 MODELO ESTÁNDAR:
Actualmente en Física, la dinámica de la materia y de la
energía en la naturaleza se entiende mejor en términos de
cinemática e interacciones de partículas fundamentales. Hasta la
fecha, la ciencia ha logrado reducir las leyes que parecen gobernar
el comportamiento y la interacción de todos los tipos de materia y de
energía que conocemos, a un conjunto pequeño de leyes y teorías
fundamentales. Una meta importante de la física es encontrar la
base común que uniría a todas éstas en una teoría del todo, en la
cual todas las otras leyes que conocemos serían casos especiales, y
de la cual puede derivarse el comportamiento de toda la materia y
energía (idealmente a partir de primeros principios).
Para facilitar la descripción, el modelo estándar se puede
dividir en tres partes:
A) Partículas de la materia,
B) Partículas mediadoras de las fuerzas y
C) El bosón de Higgs.
A) PARTÍCULAS DE LA MATERIA:
Según el modelo estándar toda la materia conocida
está constituida por partículas que tienen una propiedad
intrínseca llamada spin cuyo valor es 1/2. En los términos
del modelo estándar todas las partículas de materia son
fermiones. Por esta razón, siguen el principio de exclusión
de Pauli de acuerdo con el teorema de la estadística del spin,
y es lo que causa su calidad de materia. Aparte de sus
antipartículas asociadas, el modelo estándar explica un
total de doce tipos diversos de partículas de materia. Seis
de éstos se clasifican como quarks (up, down, strange, charm,
top y bottom), y los otros seis como leptones (electrón, muon,
tau, y sus neutrinos correspondientes).
LEPTONES QUARKS
Familias Nombre Símbolo Nombre Símbolo
1aelectrón e up u
neutrino e e down d
2amuon µ charm c
neutrino µ µ strange s
3atau top t
neutrino bottom b
Partículas fundamentales del modelo estándar.
Estas partículas de la materia también llevan cargas
que las hacen susceptibles a las fuerzas fundamentales:
Cada quark puede llevar tres cargas de color: rojo, verde o
azul, permitiéndoles participar en interacciones fuertes.
Los quarks tipo up (up, charm o top) llevan una carga
eléctrica de +2/3, y los tipo down (down, strange y bottom)
llevan una carga eléctrica de -1/3, permitiendo a ambos
tipos participar en interacciones electromagnéticas.
Los leptones no llevan ninguna carga de color, son neutros
en este sentido, evitándose que participen en
interacciones fuertes.
Los leptones tipo down (electrón, muon, y tau) llevan una
carga eléctrica de -1, permitiéndoles participar en
interacciones electromagnéticas.
Los leptones tipo up (los neutrinos) no llevan ninguna
carga eléctrica, evitándose que participen en interacciones
electromagnéticas.
Los quarks y los leptones llevan varias cargas de sabor,
incluyendo el isospin débil, permitiendo a todas ellas
interaccionar recíprocamente vía la interacción nuclear
débil.
Pares de cada grupo (un quark tipo up, un quark tipo
down, un leptón tipo down y su neutrino correspondiente)
forman las familias. Las partículas correspondientes entre
cada familia son idénticas la una a la otra, a excepción de su
masa y de una característica conocida como su sabor.
B) PARTÍCULAS MEDIADORAS DE FUERZAS:
Las fuerzas en la física son la forma en que las
partículas interactúan recíprocamente y se influyen
mutuamente. Se cree que las partículas mediadoras de fuerza
son la razón por la que existen las fuerzas y las interacciones
entre las partículas observadas en el laboratorio y en el
universo.
Las partículas mediadoras de fuerza descritas por el
modelo estándar también tienen spin (al igual que las
partículas de materia), pero en su caso, el valor del spin es 1,
significando que todas las partículas mediadoras de fuerza
son bosones. Consecuentemente, no siguen el principio de
exclusión de Pauli.
Los diversos tipos de partículas mediadoras de fuerza
son:
Los fotones median la fuerza electromagnética entre las
partículas eléctricamente cargadas. El fotón no tiene masa
y está descrito por la teoría de la electrodinámica cuántica.
Los bosones de gauge W+, W–, y Z0 median las
interacciones nucleares débiles entre las partículas de
diversos sabores (todos los quarks y leptones). Son
masivos, con el Z0 más masivo que el . Las
interacciones débiles que implican al actúan
exclusivamente en partículas zurdas y no sobre las
antipartículas zurdas. Además, el lleva una carga
eléctrica de +1 y -1 y participa en las interacciones
electromagnéticas. El bosón eléctricamente neutro Z0
interactúa con ambas partículas y antipartículas zurdas.
Estos tres bosones gauge junto con los fotones se
agrupan juntos y medían colectivamente las interacciones
electrodébiles.
Los ocho gluones median las interacciones nucleares
fuertes entre las partículas cargadas con color (los
quarks). Los gluones no tienen masa. La multiplicidad de
los gluones se etiqueta por las combinaciones del color y
de una carga de anticolor (es decir, Rojo-anti-Verde).
Como el gluón tiene una carga efectiva de color, pueden
interactuar entre sí mismos. Los gluones y sus
interacciones se describen mediante la teoría de la
cromodinámica cuántica.
Las interacciones entre todas las partículas descritas
por el modelo estándar se resumen en el cuadro siguiente:
INTERACCIÓNGRUPO
GAUGEBOSÓN SÍMBOLO
FUERZA
RELATIVA
Electromagnética U(1) fotón Ɣ em = 1/137
Débil SU(2) bosones intermedios W±, Z0 weak = 1,02 · 10-5
Fuerte SU(3) gluones (8 tipos) g s(MZ) = 0,121
C) BOSÓN DE HIGGS:
La partícula de Higgs es una partícula elemental (con
masa) predicha en el modelo estándar. Tiene spin s = 0, por
lo que es un bosón.
El bosón de Higgs desempeña un papel único en el
modelo estándar, y un papel dominante en explicar los
orígenes de la masa de otras partículas elementales,
particularmente la diferencia entre el fotón sin masa y los
bosones pesados W y Z. Las masas de las partículas
elementales, y las diferencias entre el electromagnetismo
(causada por el fotón) y la fuerza débil (causada por los
bosones W y Z), son críticas en muchos aspectos de la
estructura de la materia microscópica (y por lo tanto
macroscópica).
Hasta el año 2012, ningún experimento había
detectado directamente la existencia del bosón de Higgs,
aunque había una cierta evidencia indirecta de él. Todas las
esperanzas estaban puestas en las investigaciones realizadas
mediante el colisionador de hadrones del CERN. Este centro
hizo el histórico anuncio del hallazgo de una partícula
compatible con el Bosón de Higgs del modelo estándar el 4 de
julio de 2012, confirmado por el experimento CMS y ratificado
por ATLAS.
II. BOSÓN DE HIGGS:
2.1. ¿QUÉ ES EL BOSON DE HIGGS?
El
Bosón de Higgs o partícula de Higgs es una partícula
elemental propuesta en el Modelo estándar de física de partículas. El
bosón de Higgs recibe su nombre de Peter Higgs quien, junto con
otros, propuso el mecanismo de Higgs en 1964.
Según el modelo estándar, el bosón de Higgs interacciona
con todas las partículas con masa, no posee spin ni carga eléctrica o
de color, y como su nombre indica es un bosón. Además es muy
inestable y se desintegra rápidamente, su vida media es del orden
del zeptosegundo. En algunas variantes del Modelo Estándar puede
haber varios bosones de Higgs. Si se demostrara que el bosón de
Higgs no existe, otros modelos propuestos en los que no se
involucra el Higgs podrían ser considerados.
Debido a su posible papel en la producción de una propiedad
fundamental de las partículas elementales y, sobre todo, al libro La
partícula divina: si el universo es la respuesta, ¿cuál es la pregunta?
de Leon Lederman, ganador del premio Nobel de Física en 1988, el
bosón de Higgs ha sido denominado como la partícula de Dios en la
cultura popular, aunque prácticamente todos los científicos lo
consideran una exageración.
Uno de los objetivos principales del LHC del CERN en
Ginebra, Suiza, cuyos experimentos empezaron en 2010, fue el
probar la existencia del Higgs y medir sus propiedades lo que
permitiría a los físicos confirmar esta piedra angular de teoría
moderna. Anteriormente también se intentó en LEP (un acelerador
previo del CERN) y en Tevatron (de Fermilab, situado cerca de
Chicago en Estados Unidos).
El 4 de julio de 2012 se presentaron en el CERN los
resultados preliminares de los análisis conjuntos de los datos
tomados por el LHC en 2011 y 2012. Los dos principales
experimentos del acelerador (ATLAS y CMS) anunciaron la
observación de una nueva partícula «compatible con el bosón de
Higgs», con una masa de unos 125 GeV/c2. El estudio de las
propiedades de la nueva partícula, para confirmar si se trata
efectivamente del bosón u otra posibilidad, necesita aún más tiempo
y datos.
2.2. EL DESCUBRIMIENTO DE UN NUEVO BOSÓN.
En una nota interna del CERN, del 21 de abril de 2011, se
contextualizaba el rumor de que los físicos del LHC habían
detectado por primera vez el bosón de Higgs.
La nota interna habla de la observación de una resonancia en
los 125 GeV, justo la clase de fenómeno que se esperaría detectar si
se hubiera encontrado un bosón de Higgs en ese rango de energía.
Sin embargo, el elevado número de eventos observados, hasta
treinta veces más de los predichos en el modelo estándar de física
de partículas, sorprendía a los propios investigadores.
El 22 de junio de 2012 el CERN anunció un seminario
cubriendo las conclusiones provisionales para el año 2012, y poco
después comenzaron a difundirse, en los medios de comunicación,
rumores de que esto incluiría un anuncio importante, pero no estaba
claro si se trataba de una señal más fuerte o de un descubrimiento
formal.
El 4 de julio de 2012 el CERN comunicó, con la presencia de
varios científicos, incluyendo al propio téorico del tema Peter Higgs,
que había detectado, mediante el colisionador de hadrones, a un
bosón con características similares a lo que se esperaría del Bosón
de Higgs. Los datos obtenidos permiten estimar un valor mínimo
experimental de masa 114.4 GeV, consistente con el bosón de Higgs
del modelo estándar, con un nivel de confianza del 95%. Dos
equipos independientes en el CERN llegaron a conclusiones
similares: el CMS con 2,100 científicos y el Atlas con 3,000
investigadores. Experimentalmente se ha registrado un pequeño
número de eventos no concluyentes en el colisionador LEP en el
CERN. Estos han podido ser interpretados como resultados de los
bosones de Higgs, pero la evidencia no es concluyente. Se espera
que el Gran Colisionador de Hadrones, del CERN, pueda confirmar o
desmentir la existencia de este bosón.
2.3. PROPIEDADES.
Muchas de las propiedades del bosón de Higgs, tal y como se
describe en el modelo estándar, están totalmente determinadas.
Como su nombre indica, es un bosón con espín 0 (lo que se
denomina un bosón escalar). No posee carga eléctrica ni carga de
color por lo que no interacciona con el fotón ni con los gluones. Sin
embargo interacciona con todas las partículas del modelo que
poseen masa: los quarks, los leptones cargados y los bosones W y Z
de la interacción débil. Sus constantes de acoplo, son conocidas: su
valor es mayor cuanto mayor es la masa de la partícula
correspondiente. En la versión original del modelo estándar, no se
incluía la masa de los neutrinos ni, por tanto, una interacción entre
estos y el Higgs. Aunque ésta podría explicar la masa de los
neutrinos, en principio su origen puede tener una naturaleza distinta.
El bosón de Higgs es además su propia antipartícula.
2.4. INTERROGANTES PARA COMPRENDER MEJOR SOBRE EL
BOSON DE HIGGS.
1. ¿De qué está formada la materia?
La materia está formada por átomos. Un átomo es
como un Sistema Solar en miniatura: tiene un gran núcleo
central (compuesto por protones y neutrones) y a su alrededor
giran los electrones.
2. ¿De qué están formados los protones y los neutrones?
Los protones y los neutrones están formados de unas
partículas más pequeñas que se llaman quarks.
Hay 6 tipos de quarks y fueron bautizados con nombres
un poco extraños: el quark “arriba”, el quark “abajo”, el quark
“encanto”, el quark “extraño”, el quark “cima” y el quark
“fondo”.
Un protón está formado por 2 quarks “arriba” y 1 quark
“abajo”. Un neutrón está formado por 1 quark “arriba” y 2
quarks “abajo”.
3. ¿Y de qué están formados los electrones?
Al contrario que los protones y los neutrones, los
electrones son partículas elementales, es decir, no se pueden
dividir más.
4. Entonces el electrón y los quarks son partículas
elementales, ¿Cuál es el problema?
El problema es que no comprendemos por qué estas
partículas tienen masas tan diferentes. Por ejemplo, un quark
“cima” pesa 350.000 veces más que un electrón. Para darnos
idea de lo que significa este número: es la misma diferencia
de peso que hay entre una sardina y una ballena.
5. ¿Cuál es la solución a este problema?
En 1964, el físico inglés Peter Higgs, junto a otros
colegas, propuso la siguiente solución: todo el espacio está
relleno de un campo (que no podemos ver) pero que
interacciona con las partículas fundamentales. El electrón
interactúa muy poquito con ese campo y por eso tiene una
masa tan pequeña. El quark “cima” interacciona muy
fuertemente con el campo y por eso tiene una masa mucho
mayor.
6. ¿Problema resuelto?
No. En física, una teoría sólo es válida si podemos
verificarla con experimentos. La historia de la ciencia está
repleta de teorías hermosísimas que resultaron ser falsas.
El campo de Higgs es sólo una teoría. Para
comprobarla necesitamos encontrar la partícula asociada al
campo de Higgs: el llamado “bosón de Higgs”.
7. ¿Por qué es tan difícil observar el bosón de Higgs?
Cuando queremos detectar el bosón de Higgs nos
enfrentamos a 2 problemas fundamentales:
A) Para generar un bosón de Higgs, se necesita
muchísima energía. De hecho, se necesitan
intensidades de energía similares a las producidas
durante el Big Bang. Por eso hemos necesitado
construir enormes aceleradores de partículas.
B) Una vez producido, el bosón de Higgs se desintegra
muy rápidamente. Es más, el bosón de Higgs
desparece antes de que podamos observarlo. Sólo
podemos medir los “residuos” que deja al
desintegrarse.
Estos dos problemas son de una complejidad tan
tremenda que para resolverlos hemos necesitado el trabajo de
miles de físicos durante varias décadas.
9. ¿Una vez se confirme la teoría de Higgs, la física de
partículas se ha terminado?
No. La detección del bosón de Higgs es sólo el
comienzo de nuevas aventuras (¡los físicos seguirán teniendo
trabajo por mucho tiempo!).
Todavía quedan decenas de problemas que están muy
lejos de resolver. Algunos ejemplos: ¿qué es la materia
oscura? ¿Cómo formular una teoría cuántica de la gravedad?
¿Los quarks y los leptones son verdaderamente partículas
elementales o tienen una subestructura? ¿Todas las fuerzas
se unifican a una energía suficientemente alta?
III. ORGANIZACIÓN EUROPEA PARA LA INVESTIGACIÓN
NUCLEAR (CERN).
La Organización Europea para la Investigación Nuclear (nombre
oficial), comúnmente conocida por la sigla CERN (usada en 1952, del
francés Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, es decir, Consejo
Europeo para la Investigación Nuclear), es el mayor laboratorio de
investigación en física de partículas a nivel mundial.
Está situado en la frontera entre Francia y Suiza, entre la comuna de
Meyrin (en el Cantón de Ginebra) y la comuna de Saint-Genis-Pouilly (en el
departamento de Ain).
Como una instalación internacional, el CERN no está oficialmente ni
bajo jurisdicción suiza ni francesa. Los estados miembros contribuyen
conjunta y anualmente con 1.000 millones de Francos Suizos
(aproximadamente € 664 millones, US$ 1.000 millones).
3.1. Historia.
Fundado en 1954 por 12 países europeos, el CERN es hoy en
día un modelo de colaboración científica internacional y uno de los
centros de investigación más importantes en el mundo. Actualmente
cuenta con 20 estados miembros, los cuales comparten la
financiación y la toma de decisiones en la organización. Aparte de
éstos, otros 28 países no miembros participan con científicos de 220
institutos y universidades en proyectos en el CERN utilizando sus
instalaciones. De estos países no miembros, ocho estados y
organizaciones tienen calidad de observadoras, participando en las
reuniones del consejo.
El primer gran éxito científico del CERN se produjo en 1984
cuando Carlo Rubbia y Simon van der Meer obtuvieron el Premio
Nobel de Física por el descubrimiento de los bosones W y Z. En
1992 le tocó el turno a Georges Charpak "por la invención y el
desarrollo de detectores de partículas, en particular la cámara
proporcional multihilos".
El DIRECTOR GENERAL, por tradición científica, es
nombrado por la organización y tiene una duración en sus funciones
de cinco años, contabilizando desde el 1 de enero. El actual director
es Rolf Dieter Heuer, desde enero de 2009.
3.3. FUNCIONAMIENTO.
El CERN se encuentra en Suiza, cerca de Ginebra, y próximo
a la frontera con Francia. Cuenta con una serie de aceleradores de
partículas entre los que destaca el, ya desmantelado, LEP (Large
Electron-Positron Collider, Gran Colisionador Electrón-Positrón).
Actualmente en su lugar se ha construido el LHC (Large Hadron
Collider, Gran Colisionador de Hadrones), un acelerador protón-
protón previsto para operar a mayor energía y luminosidad (se
producirán más colisiones por segundo) de 27 km de circunferencia
y que constituye el acelerador de partículas más grande construido
hasta la fecha. Financiado con la colaboración de 60 países. Se
espera que este incremento en energía y luminosidad permita
descubrir el esquivo bosón de Higgs, así como confirmar o
desestimar teorías de partículas como las teorías supersimétricas o
las teorías de tecnicolor. La primera prueba de este último se realizó
con éxito el 10 de septiembre de 2008.
El éxito del CERN no es sólo su capacidad para producir
resultados científicos de gran interés, sino también el desarrollo de
nuevas tecnologías tanto informáticas como industriales. Entre los
primeros destaca en 1990 la invención del WorldWideWeb por los
científicos Tim Berners-Lee y Robert Cailliau, pero no hay que
olvidar el desarrollo y mantenimiento de importantes bibliotecas
matemáticas (CERNLIB ahora llamada ROOT) usadas durante
muchos años en la mayoría de centros científicos, o también
sistemas de almacenamiento masivo (el LHC almacenará un
volumen de datos del orden de varios PB cada año). Entre los
segundos podemos citar imanes de 9 T en varios metros, detectores
de gran precisión, imanes superconductores de gran uniformidad a
lo largo de varios kilómetros, etc. Para finales de 2010 los directivos
del CERN anunciaron que habían conseguido producir y capturar
átomos de antimateria por un lapso de más de una décima de
segundo. Este hecho es importantísimo para la ciencia ya que abre
un campo que, al menos en la práctica, era desconocido y podría
proporcionar energía en cantidades inmensas.
3.4. MIEMBROS.
Los doce miembros fundadores fueron:
Alemania (entonces Alemania Occidental), Bélgica, Dinamarca,
Francia, Grecia, Italia, Noruega, Países Bajos, Reino Unido, Suecia,
Suiza, Yugoslavia que luego se retiró.
Todos los miembros fundadores se mantuvieron en el CERN,
excepto Yugoslavia, que se retiró en 1961 y nunca volvió a formar
parte.
Desde su fundación, el CERN aceptó regularmente nuevos
miembros. Todos ellos se mantuvieron dentro de la organización
continuamente, excepto España, que se unió en 1961, se retiró en
1969 y volvió a unirse en 1983.
La lista de miembros es la siguiente: Austria, se unió en 1959;
España, se unió en 1961; Portugal, se unió en 1985; Finlandia, se
unió en 1991; Polonia, se unió en 1991; Hungría, se unió en 1992;
República Checa, se unió en 1993; Eslovaquia, se unió en 1993
(junto con la República Checa, incrementando el total de miembros a
19); Bulgaria, se unió en 1999.
Actualmente hay 20 estados miembros.
Ocho organizaciones internacionales o países tienen "estatuto
de observador": Comisión Europea, India, Israel, Japón, Rusia,
Turquía, Unesco, Estados Unidos.
La lista de países no miembros involucrados en programas
del CERN, la conforman: Argelia, Argentina, Armenia, Australia,
Azerbaiján, Bielorrusia, Brasil, Canadá, Chile, China, Chipre,
Colombia, Corea del Sur, Croacia, Eslovenia, Estonia, Ecuador,
Georgia, Irán, Irlanda, Islandia, Marruecos, México, Pakistán, Perú,
Rumania, Serbia, Sudáfrica, Taiwán y Ucrania.
IV. GRAN COLISIONADOR DE HADRONES (LHC: LARGE
HADRON COLLIDER).
El Gran Colisionador de Hadrones, GCH (en inglés Large Hadron
Collider, LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la
Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), cerca de
Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de
hadrones, más exactamente de protones, de hasta 7 TeV de energía,
siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo
Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas,
del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos.
Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en
sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz, y se
los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas
subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos
inmediatamente después del big bang.
El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del
mundo. Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran
Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000
físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han
participado en su construcción.
Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de
1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o −271,15 °C), los
primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008, y el
primer intento para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador
se produjo el 10 de septiembre del año 2008. Aunque las primeras
colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de
octubre de 2008, el experimento fue postergado debido a una avería que
produjo la fuga del helio líquido que enfría uno de los imanes
superconductores.
A fines de 2009 se volvió a poner en marcha, y el 30 de noviembre
del 2010 se convirtió en el acelerador de partículas más potente al
conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior
de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense. El 30 de marzo
de 2010 las primeras colisiones de protones del LHC alcanzaron una
energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada uno) lo que
significó un nuevo récord para este tipo de ensayos. En 2012 el LHC
empezó a funcionar a 4 TeV por haz y al finalizar ese año entrará en
parada durante 20 meses para realizar las mejoras necesarias para la
operación a la energía máxima de 7 TeV por haz; la reapertura está
prevista para finales de 2014.
Teóricamente se espera que este instrumento permita confirmar la
existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs, a veces llamada
“partícula de la masa”. La observación de esta partícula confirmaría las
predicciones y "enlaces perdidos" del Modelo Estándar de la física,
pudiéndose explicar cómo las otras partículas elementales adquieren
propiedades como la masa.
4.1. RED DE COMPUTACIÓN.
La red de computación (Computing Grid en inglés) del LHC es
una red de distribución diseñada por el CERN para manejar la
enorme cantidad de datos que serán producidos por el Gran
Colisionador de Hadrones. Incorpora tanto enlaces propios de fibra
óptica como partes de Internet de alta velocidad.
El flujo de datos provisto desde los detectores se estima
aproximadamente en 300 Gb/s, que es filtrado buscando "eventos
interesantes", resultando un flujo de 300 Mb/s. El centro de cómputo
del CERN, considerado "nivel 0" de la red, ha dedicado una
conexión de 10 Gb/s.
Se espera que el proyecto genere 27 Terabytes de datos por
día, más 10 TB de "resumen". Estos datos son enviados fuera del
CERN a once instituciones académicas de Europa, Asia y
Norteamérica, que constituyen el "nivel 1" de procesamiento. Otras
150 instituciones constituyen el "nivel 2".
Se espera que el LHC produzca entre 10 a 15 Petabytes de
datos por año. Para controlar la configuración primaria para las
máquinas de la red de ordenadores del LHC se utiliza una
distribución científica del sistema operativo Linux llamada Scientific
Linux. Esta red se utiliza para recibir y distribuir los datos a los
100.000 CPU de todo el mundo que constituyen los niveles 1 y 2 de
procesamiento.
4.2. ALARMAS SOBRE POSIBLES CATÁSTROFES.
Desde que se proyectó el Gran Colisionador Relativista de
Iones (RHIC), el estadounidense Walter Wagner y el español Luis
Sancho denunciaron ante un tribunal de Hawái al CERN y al
Gobierno de Estados Unidos, afirmando que existe la posibilidad de
que su funcionamiento desencadene procesos que, según ellos,
serían capaces de provocar la destrucción de la Tierra. Sin embargo
su postura es rechazada por la comunidad científica, ya que carece
de cualquier respaldo matemático que la apoye.
Los procesos catastróficos que denuncian son:
A) La formación de un agujero negro estable.
B) La formación de materia extraña supermasiva, tan
estable como la materia ordinaria.
C) La formación de monopolos magnéticos (previstos en la
teoría de la relatividad) que pudieran catalizar el
decaimiento del protón.
D) La activación de la transición a un estado de vacío
cuántico.
A este respecto, el CERN ha realizado estudios sobre la
posibilidad de que se produzcan acontecimientos desastrosos como
microagujeros negros inestables, redes, o disfunciones magnéticas.
La conclusión de estos estudios es que "no se encuentran bases
fundadas que conduzcan a estas amenazas", para ello sostiene lo
siguiente:
A) En el hipotético caso de que se creara un agujero
negro, sería tan infinitamente pequeño que podría
atravesar la Tierra sin tocar ni un solo átomo, ya que el
95% de estos son espacios vacíos. Debido a esto, no
podría crecer y alcanzaría el espacio, donde su
probabilidad de chocar contra algo y crecer, es aún
más pequeña.
B) El planeta Tierra está expuesto a fenómenos naturales
similares o peores a los que serán producidos en el
LHC:
Los rayos cósmicos alcanzan continuamente la
Tierra a velocidades (y por tanto energías)
enormes, incluso varios órdenes de magnitud
mayores a las producidas en el LHC.
El Sol, debido a su tamaño, ha recibido 10.000
veces más.
Considerando que todas las estrellas del
universo visible reciben un número equivalente,
se alcanzan unos 1031 experimentos como el
LHC y aún no se ha observado ningún evento
como el postulado por Wagner y Sancho.
C) Durante la operación del colisionador de iones pesados
relativistas (RHIC) en Brookhaven (EE.UU.), no se ha
observado ni un solo strangelet. La producción de
strangelets en el LHC es menos probable que el RHIC,
y la experiencia en este acelerador ha validado el
argumento de que no se pueden producir strangelets.
Estos argumentos no impidieron que hubiera revueltas e
incluso un suicidio por temor al fin del mundo cuando LHC lanzó su
primera partícula el 10 de septiembre del 2008.
LÍNEA DE TIEMPO DE EVENTOS DEL COLISIONADOR
FECHA EVENTO
2008-09-10CERN disparó con éxito los primeros protones en el circuito del túnel por etapas.
2008-09-19Se produjo amortiguación magnética en alrededor de 100 imanes de flexión en los sectores 3 y 4, causando una pérdida de aproximadamente 6 toneladas de helio líquido.
2008-09-30 Se previa la primera colisión, pero fue pospuesta por el accidente.
2008-10-16 CERN dio a conocer un análisis preliminar del incidente.
2008-10-21 Inauguración oficial.
2008-12-05 CERN publicó un análisis detallado.
2009-10-29 El LHC reanudó su operación a 3,5 TeV por haz.
2009-11-20 El LHC reinició sus operaciones.
2009-11-23 Los cuatro detectores captan las primeras colisiones a 450 GeV.
2009-11-30El LHC rompe récord en ser el acelerador de partículas más potente del mundo, creando colisiones a 2.36 TeV (1.18 TeV por haz).
2009-12-16El LHC es apagado para realizarse en él los ajustes necesarios para que pueda funcionar a 7 TeV.
2010-02-28El LHC reanuda sus actividades, haciendo circular dos haces de partículas en sentidos contrarios con una energía de 450 GeV por haz.
2010-03-19El LHC alcanza un nuevo récord haciendo circular los dos haces de protones, cada uno a 3.5 TeV.
2010-03-30
El LHC inicia exitosamente las colisiones de partículas a 7 TeV (3.5 TeV por haz). Se mantendría así hasta fines de 2011, para realizar los ajustes necesarios para ponerlo a funcionar a toda potencia (14 TeV).
2010-09-18Se cierra junta de miembros del CERN, anunciándose que se pospondrá el experimento a 14 TeV para 2016.
2010-11-08El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), recreó con gran éxito un "mini Big Bang" provocado por el choque de iones, anunció el Centro Europeo de Física Nuclear (CERN, por siglas en francés).
2012-07-04
El 4 de julio de 2012 se presentaron en el CERN los resultados preliminares de los análisis conjuntos de los datos tomados por el LHC en 2011 y 2012. Los dos principales experimentos del acelerador (ATLAS y CMS) anunciaron la observación de una nueva partícula «compatible con el bosón de Higgs», con una masa de unos 125 GeV/c2.
CONCLUSIONES
El hallazgo del Bosón de Higgs cierra un capítulo de la Historia de la
Ciencia y apunta a toda una serie de nuevos avances científicos. Sin embargo, los
investigadores creen que muchas cuestiones seguirán envueltas en el misterio,
siendo entre ellas:
1. MATERIA OSCURA.
Toda la materia que conocemos, desde la terrestre a la de las
más lejanas galaxias, responde al mismo tipo de estructura
fundamental. Está constituida por átomos, que a su vez constan de
partículas y que se unen para formar los distintos materiales que
conocemos.
Sin embargo, desde hace ya más de una década sabemos
que toda esa "materia ordinaria", de la que todos nosotros estamos
hechos, sólo da cuenta de un 4% de la masa total del Universo. El
restante 96%, aunque nos pese, sigue siendo un misterio. Pero los
científicos han encontrado pruebas (indirectas) que indican la
presencia de "otro tipo" de materia, una tan extraña que ni siquiera
sabemos si está compuesta por átomos. A falta de más datos, la
llamamos "materia oscura". Es por lo menos seis veces más
abundante que la materia ordinaria y sólo sabemos de su existencia
por los efectos gravitatorios que produce en la materia que sí
podemos ver. La materia oscura conforma, por lo menos, otro
23% a la masa total del Universo.
2. ENERGÍA OSCURA.
Sumando materia ordinaria (4%) y materia oscura (23%),
seguimos teniendo sólo un 27% de la masa total del Universo. De
qué está hecho, pues, el 73% restante? La respuesta es aún más
misteriosa que la materia oscura del apartado anterior. Se trata,
dicen los investigadores, de "energía oscura", cuyo descubrimiento
data de 1998. Fue entonces cuando, después de un estudio de diez
años sobre varias supernovas, los astrónomos se quedaron de
piedra. Algunas de ellas estaban tan distantes que cuando su luz
empezó a viajar hacia la Tierra el Universo apenas si tenía una
fracción de su edad actual. El objetivo del estudio era medir si había
fluctuaciones en la tasa de expansión del Universo, lo cual serviría
para afinar los cálculos sobre su edad, estructura y destino final.
El resultado del estudio fue totalmente inesperado. Los
científicos, en efecto, esperaban ver una ligera ralentización en la
velocidad de expansión. En lugar de eso, hallaron justo lo contrario:
en lugar de retrasarse, la expansión del Universo se estaba
acelerando. La única explicación posible fue recurrir a una suerte de
fuerza capaz de oponerse (y de vencer) a la gravedad.
Ese nuevo y misterioso ingrediente fue bautizado como
"energía oscura" y muy pronto resultó evidente que esa energía se
encontraba por todas partes, y que su acción "antigravitatoria" era
mucho mayor que la fuerza de gravedad combinada de toda la
materia, tanto de la ordinaria como de la oscura. De hecho, la
energía oscura se considera responsable del 73% de la masa del
Universo.
3. ANTIMATERIA.
Además de la ordinaria y de la oscura hay, que se sepa, por lo
menos otra clase de materia, y tan distinta de la ordinaria (de la cual
estamos todos hechos) que es incompatible con ella. Se trata de la
antimateria. La antimateria es, aparentemente, idéntica a la materia
«normal». De hecho, no puede diferenciarse de ella a simple vista.
Pero si un átomo de antimateria entra en contacto con otro de
materia, ambos se aniquilan en una fuerte explosión de energía.
Si un hombre pusiera pie en un planeta hecho de antimateria,
se desintegraría al instante. Los modernos laboratorios de física son
capaces, desde hace algunos años, de «fabricar» átomos de
antimateria. Algunas teorías postulan la existencia de galaxias
enteras hechas de antimateria. Galaxias que, si alguna vez llegaran
a entrar en contacto con la nuestra, provocarían un cataclismo
cósmico como jamás se ha visto.
4. ¿QUÉ ES EL MESÓN B?
El revuelo causado por el descubrimiento del bosón de Higgs
puso bajo los reflectores a la física de partículas, una ciencia que
normalmente vive entre pizarrones, computadoras y aceleradores de
partículas. Tras el enorme revuelo, queda una pregunta, ¿qué
sigue?
Del otro lado del Océano Pacífico, una entidad llamada High
Energy Accelerator Research Organization creó en la localidad
japonesa de Tsukuba el acelerador KEK, donde un grupo de
científicos se hallan trabajando en un experimento para encontrar la
siguiente partícula misteriosa: el mesón B, formado por la unión de
un quark y un antiquark. La unión de dos elementos que no podrían
estar juntos suena contradictorio, pero de alguna manera (que se
desconoce por el momento) se mantienen unidos, aunque por
fracciones de segundo.
Así, un equipo de investigadores en Japón están trabajando
en un experimento llamado SuperKEKB/Belle II, que consiste en el
uso del acelerador para recrear el mesón B haciendo chocar haces
de partículas. Esta labor que parece tomará un buen tiempo ya que
el experimento está planeado para comenzar en el año 2015. Sin
embargo, si el experimento confirma de la existencia de esta
partícula, los físicos tendrán más herramientas para conocer el
origen de la materia, y en una de esas, poder entender lo sucedido
durante la creación del Universo.
SUGERENCIAS
Al ser este un complejo tema sugiero que nos puedan detallar en términos
más simples este revolucionario descubrimiento: sus beneficios, consecuencias
de su descubrimiento y otros.
Explicarnos más detalladamente sobre las 4 fuerzas fundamentales del
universo: interacción nuclear fuerte, interacción nuclear débil, interacción
electromagnética e interacción gravitatoria.
BIBLIOGRAFIA
http://www.vanguardia.com.mx/elbosondehiggslaparticuladelconocimiento-
1326101.html
http://quo.mx/2012/07/07/pragmatas/despues-del-boson-de-higgs-que-sigue
http://es.wikipedia.org/wiki/Gran_colisionador_de_hadrones
http://es.wikipedia.org/wiki/Organizaci%C3%B3n_Europea_para_la_Investigaci
%C3%B3n_Nuclear
http://es.wikipedia.org/wiki/Bos%C3%B3n_de_Higgs
http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_est%C3%A1ndar_de_f%C3%ADsica_de_part
%C3%ADculas
http://www.jornada.unam.mx/2012/07/10/opinion/a03a1cie
http://mexico.cnn.com/tecnologia/2011/12/13/que-es-el-boson-de-higgs-la-
particula-de-dios-o-una-maldita-particula
ANEXOS
Una traza hipotética del bosón de Higgs en una colisión simulada de protón-protón.
Composición Partícula elemental
Familia Bosón
Estado Parcialmente confirmada: descubierta en el CERN una nueva partícula con propiedades compatibles.
Símbolo(s) H0
Teorizada R. Brout, F. Englert, P. Higgs, G. S. Guralnik, C. R. Hagen y T. W. B. Kibble (1964)
Descubierta Una partícula compatible ha sido hallada por ATLAS y CMS (Julio de 2012.)
Tipos 1 en el Modelo estándar;5 o más en la Supersimetria.
Masa 125.3 ± 0.6 Gev/c2, ∼126 Gev/c2
Vida media 1 zeptosegundo
Carga eléctrica
0
Espín 0
Países miembros de la Organización Europea para la Investigación Nuclear
(CERN).
CONSEJO EUROPEO
PARA LA INVESTIGACIÓN NUCLEAR
Tipo Laboratorio de física de partículas
Fundación 29 de septiembre de 1954
Sede Ginebra
Administración Director generalRolf-Dieter Heuer
Miembros 20 estados miembros y 8 observadores
Sitio web http://cern.ch/
Resumen de las interacciones entre las partículas del modelo estándar.
.
Imágenes del colisionador de hadrones.
Presupuesto 2009 para el LHC
Estado miembro Contribución Mil. CHF Mil. EUR
Alemania 19,88 % 218,6 144,0
Francia 15,34 % 168,7 111,2
Reino Unido 14,70 % 161,6 106,5
Italia 11,51 % 126,5 83,4
España 8,52 % 93,7 61,8
Países Bajos 4,79 % 52,7 34,7
Suiza 3,01 % 33,1 21,8
Polonia 2,85 % 31,4 20,7
Bélgica 2,77 % 30,4 20,1
Suecia 2,76 % 30,4 20,0
Noruega 2,53 % 27,8 18,3
Austria 2,24 % 24,7 16,3
Grecia 1,96 % 20,5 13,5
Dinamarca 1,76 % 19,4 12,8
Finlandia 1,55 % 17,0 11,2
República Checa 1,15 % 12,7 8,4
Portugal 1,14 % 12,5 8,2
Hungría 0,78 % 8,6 5,6
Eslovaquia 0,54 % 5,9 3,9
Bulgaria 0,22 % 2,4 1,6