Dos artículos para entender más sobre el bosón de Higgs:
El bosón de Higgs y los experimentos del CERN
En ciencia, para que un teoría pase de ser una hipótesis razonable, es imprescindible que haga predicciones de fenómenos no observados previamente, y que estas predicciones sean confirmadas a través de experimentos.
Una forma de alcanzar la energía capaz de producir perturbaciones detectables del campo de Higgs es acelerar dos haces de protones, en direcciones contrarias, a una velocidad próxima a la de la luz, y hacerlos chocar, provocando la completa desintegración de las partículas que participan en la colisión (los quarks y gluones de los que están hechos los protones). La energía de la colisión se transforma en nuevas partículas (ya conocidas) que se alejan del punto de interacción a velocidades próximas a las de la luz.
El acelerador LHC del CERN es capaz de acelerar grandes cantidades de protones (decenas de billones de protones por haz) al 99.999997% de la velocidad de la luz y hacerlos colisionar en puntos de interacción muy precisos (cada uno de ellos es, en buena aproximación, un circulo de 10 milésimas de milímetro de radio) en torno a los cuales están situados los detectores de partículas.
Estos detectores, ATLAS y CMS, son complejos dispositivos electrónicos (con unos 100 millones de canales de lectura) capaces de registrar con elevadísima precisión las trayectorias y energías de las partículas emergentes de las colisiones entre protones, que tienen lugar a un ritmo de 20 millones de veces por segundo.
El bosón de Higgs no se puede detectar directamente. Esta partícula altamente inestable se desintegraría de forma casi inmediata dando lugar a otras partículas más comunes. En el modelo de Higgs, el parámetro fundamental que dicta cómo se desintegra el bosón de Higgs y cómo se observa en los experimentos es la masa del propio bosón de Higgs. Los físicos determinan la masa de esta partícula a partir de las medidas precisas de las trayectorias y energías de las partículas procedentes de su desintegración. Estas distribuciones contienen una contribución irreducible de sucesos sin Higgs (llamados contaminación) y una contribución adicional compatible con la señal esperada para sucesos con un bosón de Higgs con una masa próxima a 125 GeV (es decir, 133 veces la masa del protón).Si el bosón de Higgs existe, en un muy reducido número de casos también podría ser producido en el colosal choque de partículas (que llamamos "suceso"). La dificultad del experimento radica en aislar las colisiones en las que se ha producido un bosón de Higgs de aquellas en las que no lo ha hecho lo que, según los modelos teóricos, ocurre una vez cada billón de colisiones. El físico experimental debe explotar las propiedades de desintegración del bosón de Higgs para separar su señal de la ingente cantidad de colisiones muy similares que, sin embargo, no han dado lugar a esta partícula. No es trivial identificar un suceso de Higgs aislado, por lo que el experimento se realiza una enorme cantidad de veces para acumular un elevado número de datos. Esto pone de manifiesto el carácter estadístico del análisis. Cuando decimos que un suceso (una colisión) ha dado lugar a un bosón de Higgs, solo podemos hablar de la probabilidad de que sea así. Las muestras de sucesos "de Higgs" contienen inevitablemente una cantidad de otros sucesos (sin Higgs) que tenemos que cuantificar con muchísimo cuidado, lo que supone una buena parte del trabajo del físico experimental.
Para poder afirmar que las observaciones confirman o refutan la teoría es imprescindible cuantificar la prominencia de los sucesos compatibles con la señal del Higgs sobre los sucesos de contaminación. Dado el carácter estadístico del análisis, cuantificamos la señal como la probabilidad de que sea incompatible con una fluctuación estadística de los sucesos de contaminación, sin Higgs. En el caso de CMS, esta incompatibilidad es de una parte en 3 millones.
Para poder confirmar si se trata del bosón de Higgs o de otra partícula similares, ATLAS y CMS van a medir con precisión la naturaleza y propiedades de la nueva partícula con datos que LHC va a proporcionar
Como consecuencia del análisis de los datos del detector CMS podemos afirmar que, con la probabilidad mencionada, observamos la señal de una nueva partícula compatible con lo que se espera para un bosón de Higgs de masa 125.3 GeV. El hecho de que ATLAS obtenga conclusiones similares del análisis de sus datos refuerza nuestras conclusiones. En cualquier caso, para poder confirmar si se trata realmente del bosón de Higgs o de otra partícula con características similares, ATLAS y CMS van a medir con precisión la naturaleza y propiedades de la nueva partícula con los datos que LHC va a proporcionar hasta primeros de 2013, multiplicando por un factor aproximadamente 4 el número de datos recogidos hasta la fecha.
El diseño y construcción del experimento CMS ha supuesto un colosal esfuerzo de científicos e ingenieros procedentes de unos 40 países. Actualmente, la Colaboración CMS está integrada por 3300 físicos e ingenieros de 193 institutos. Entre ellos se encuentran los grupos españoles del Instituto de Física Corpuscular de Cantabria, la Universidad de Oviedo, la Universidad Autónoma de Madrid y el Centro de Investigaciones Energéticas, Mediambientales y Tecnológicas (CIEMAT, Madrid). Los grupos españoles han participado, desde hace 20 años, en todas las facetas del experimento: diseño, construcción, puesta en marcha, adquisición y análisis de datos, así como en el sistema de computación distribuida Grid. En particular, han hecho contribuciones directas muy importantes en la búsqueda del bosón de Higgs.
Pablo García Abia es físico del Ciemat y miembro del experimento CMS
MADRID, 4 Jul. (EUROPA PRESS) -
El Bosón de Higgs es un tipo de partícula elemental que se cree tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa en el Universo. Se trata de la única partícula predicha por el Modelo Estándar de Física de Partículas que aún no había sido descubierta.
El Modelo Estándar describe las partículas elementales y sus interacciones, pero queda una parte importante por confirmar, precisamente la que da respuesta al origen de la masa. Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como se conoce actualmente, por lo que tampoco habría química, ni biología, ni existiría el hombre.
En los años 60, varios físicos, entre ellos el británico Peter Higgs, postularon un mecanismo que se conoce como el 'Campo de Higgs'. Al igual que el fotón es el componente fundamental del campo electromagnético y de la luz, el 'Campo de Higgs' requiere la existencia de una partícula que lo componga, que los físicos llaman Bosón de Higgs.
El campo de Higgs sería una especie de continuo que se extiende por todo el espacio, formado por un incontable número de bosones de Higgs. La masa de las partículas estaría causada por una fricción con el campo de Higgs, por lo que las partículas que tienen una fricción mayor con este campo tienen una masa mayor.
LAS PARTÍCULAS SUBATÓMICAS
Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son aquellas que componen la materia, y los bosones las que portan las fuerzas o interacciones. Los componentes del átomo (electrones, protones y neutrones) son fermiones, mientras que el fotón, el gluón y los bosones W y Z, son los responsables, respectivamente, de las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil.
La diferencia del bosón con el fotón o el gluón es que no se puede detectar directamente, ya que una vez que se produce se desintegra casi instantáneamente dando lugar a otras partículas elementales más familiares. Es decir, cuando el bosón se crea, lo que se pueden ver son sus 'huellas', otras partículas, que son las que detecta el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) que la Organización Europea para la Investigación Nuclear ha construido en Ginebra (Suiza).
Así, en el interior del anillo del LHC colisionan protones entre si a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando se producen las colisiones en puntos estratégicos donde están situados grandes detectores, la energía del movimiento se libera y queda disponible para que se generen otras partículas. Cuanto mayor sea la energía de las partículas que chocan más masa podrán tener las resultantes, según la famosa ecuación de Einstein: E=mc2.
Debido a que el Modelo Estándar no establece la masa del Bosón de Higgs, sino un amplio rango de valores posibles, se requieren aceleradores muy potentes. El LHC es la culminación de una 'escalada energética' dirigida a descubrir el bosón de Higgs, un objetivo que se ha logrado ahora.
LOS DATOS QUE DEFINEN EL BOSÓN DE HIGGS
En Física de Partículas el concepto de observación se define estadísticamente en términos de desviaciones estándar o 'sigmas', que indican la probabilidad de que un resultado experimental se deba a la casualidad en vez de ser un efecto real.
Para conseguir una mayor significación estadística, y por tanto aumentar las probabilidades de observación, los experimentos necesitan analizar muchos datos. El LHC genera unos 300 millones de colisiones por segundo, por lo que la cantidad de datos a analizar es ingente. Se mide en femtobarns inversos, unidad que da idea de la cantidad de colisiones que se produce en un acelerador de partículas por unidad de área y tiempo (luminosidad).
La medida que se ha obtenido este miércoles es de 5 sigmas de nivel, lo que determina, de manera oficial, que se trata de un 'descubrimiento' u 'observación'. Para alcanzar 5 sigmas hay que sacar un mismo resultado más de 20 veces seguidas, una probabilidad menor de 0,00006 por ciento.
Tras el hallazgo, los expertos continuarán los estudios para estar seguros de que una observación corresponde a un bosón de Higgs del Modelo Estándar y no a otra partícula diferente. Para ello es necesario estudiar en detalle y con más datos las propiedades de la nueva partícula. En concreto, si la forma en que se produce y se desintegra está de acuerdo con lo predicho por la teoría o no, lo cual sería aun mas interesante.
El descubrimiento de la partícula, es el comienzo de una nueva fase en la Física de Partículas ya que el bosón marca el camino en la investigación de otros muchos fenómenos físicos como la naturaleza de la materia oscura (que compone el 23 por ciento del Universo pero cuyas propiedades son completamente desconocidas).
El bosón de Higgs explicado a mi abuela
Decía Albert Einstein que uno no ha entendido realmente algo hasta que no es capaz de explicárselo a su abuela. Aceptamos el reto e intentamos explicar de manera sencilla qué es la partícula de Higgs y por qué es trascendente su búsqueda
Querida abuela:
La Física no es una cuestión tan complicada como parece. En los últimos meses, habrás escuchado hablar sobre esa partícula que los científicos se afanan en buscar con sus gigantescas máquinas en Ginebra y de la que depende buena parte de nuestro conocimiento sobre el mundo. La llaman el bosón de Higgs. Hace una semana, los físicos del CERN anunciaron que tenían la partícula acorralada y que pronto podrían decirnos tanto si existe como si no. ¿Cómo es posible que aún no lo sepan?, te preguntarás. ¿Y cómo puede tener tanta importancia una partícula tan insignificante que ni siquiera la podemos detectar?
El asunto, querida abuela, se remonta a hace 13.700 millones de años. Entonces se formó la materia y se produjeron unos niveles de energía increíbles en lo que conocemos como Big Bang. Pero vamos a saltarnos esta parte. Mucho tiempo después de aquello, nuestros científicos están intentando comprender de qué están hechas las cosas y, no menos importante, cómo permanecen unidas. Respecto a la primera pregunta, y tras muchos palos de ciego, los físicos han conseguido desentrañar el rompecabezas de la materia y ya tienen un catálogo muy interesante.
------- * Ponte a prueba: Cuanto sabes sobre el bosón de Higgs-------
Las cosas están hechas de átomos, y dentro de estos átomos hay otras partículas más pequeñas como las que componen el núcleo, protones y neutrones, los electrones (que lo orbitan), los quarks, etc. Para encontrar nuevas partículas, los científicos las aceleran a una gran energía y las hacen chocar entre ellas en grandes colisionadores. Como la energía y la masa deben conservarse, cuando falta una parte al final del proceso los físicos saben que debe haberse creado una partícula nueva. Así se dedujo la existencia de otro personaje que se ha hecho muy popular últimamente,el famoso neutrino. Y así se busca el boson de Higgs.
En cuanto a la forma en que se unen las cosas, después de muchas investigaciones sabemos que existen cuatro fuerzas fundamentales: la de la gravedad (la que hace que al pegar un saltito vuelvas a caer al suelo, por ejemplo), el electromagnetismo (que permite funcionar a los motores y a los teléfonos móviles), la fuerza nuclear fuerte (que mantiene unido el interior del núcleo de los átomos) y una cuarta fuerza conocida como fuerza nuclear débil y que aparecía en algunos procesos concretos, como el que se produce en los elementos radiactivos, como el uranio o el plutonio.
Pues bien, investigando este fenómeno, y en su afán por unificar las cosas, los científicos se dieron cuenta de que a altas energías, la fuerza débil y el electromagnetismo se comportaban igual, pero a bajas energías eran muy diferentes. La partícula responsable del electromagnetismo, el fotón, no tenía masa, pero las partículas responsables de la interacción débil, llamadas bosones W y Z, tenían una masa enorme. Es decir, a altas energías se comportaban igual que el fotón, como si no tuvieran masa, pero a bajas energías no. La pregunta que surgió entonces era aún más interesante. Ya sabíamos de qué están hechas las cosas y cómo permanecen unidas pero, ¿por qué tienen masa las partículas?
En 1964, un físico británico llamado Peter Higgs propuso una solución que otros desarrollarían más tarde: existía un campo, invisible pero presente en todo el universo desde el Big Bang, que era el responsable de darle masa a las cosas. ¿Cómo lo hacía? Para entenderlo, necesito que te imagines el universo como una gigantesca piscina. Todo lo que avanza en el agua se encuentra una resistencia, luego el agua (el campo de Higgs) es lo que les da la masa. Unas partículas encuentran mucha resistencia (tienen más masa) y otras no encuentran ninguna (como los fotones, la luz). Igual que el agua está compuesta de moléculas, ese campo de Higgs está compuesto de una serie de partículas hipotéticas, las conocidas como bosones de Higgs.
Para entenderlo, voy a adaptar un ejemplo que ponen los científicos del CERN. Imaginemos una sala llena de abuelas. Cada una de ellas sería un bosón y juntas compondrían el campo de Higgs (el agua del anterior ejemplo). Si entrara alguien muy famoso en la habitación, se producirá una expectación en torno a él que terminará traducida en cierta resistencia a su avance. En este caso el famoso sería como una partícula y el campo de Higgs serían las abuelas, que le harían ganar masa. Mi amigo Ismael lo explicaba el otro día con una playa por la que avanzara un vendedor de helados con su carrito y que estuviera llena de niños invisibles. Los críos se arremolinarían en torno a él y le impedirían avanzar, dándole masa. En este caso los niños serían los bosones de Higgs.
¿Vas viendo por dónde van los tiros? Tranquila, aún estamos empezando y volveremos sobre este asunto. Para que lo entiendas mejor, debes saber que todo el conocimiento que te he expuesto anteriormente compone lo que los físicos conocen como Modelo Estandar de la Física. Se trata de una ecuación con muchísimas variables y funciona perfectamente para todo lo que nos proponemos. Y ahora sí, agárrate abuela, porque ésta es la ecuación:
¿Impresionada? No era mi intención asustarte, solo te he puesto la fórmula para que te fijes en un detalle y comprendas por qué se empeñan los científicos en buscar el bosón de Higgs. Vuelve a mirar la ecuación y fíjate en las "H". Ese valor representado en la fórmula es elbosón de Higgs y, aunque no lo hemos encontrado, es fundamental para que el Universo se comporte como se comporta, ya que cada vez que ponemos en marcha la ecuación, nuestras predicciones funcionan.
¿Por qué es tan difícil encontrar el bosón de Higgs? Aunque tenemos medidas indirectas de la existencia del campo de Higgs, hay que encontrar la partícula para tener la certeza de que existe. Pero esto es realmente difícil, porque cuando intentamos verlos, los bosones de Higgs se desintegran inmediatamente hacia otro tipo de partículas y no hay manera de registrarlo.
Para que te hagas una idea, la vida media (en reposo) de un bosón de Higgs de 125 GeV es de una billonésima de billonésima de segundo, un yoctosegundo (¡qué palabra para presumir con las amigas!). Lo que están haciendo con esa gran máquina de Suiza, el LHC, es hacer que muchas partículas choquen entre sí a gran velocidad y ver las huellas que deja tras de sí el bosón. De momento, las pruebas no son lo suficientemente precisas para encontrarlo pero sí para "acorralarlo", ya saben en qué abanico de energía puede aparecer y como lo irán estrechando en los próximos meses, pronto sabemos si esa "H" de la ecuación existe, si en realidad son varias partículas en vez de una o si no hay rastro del famoso bosón y a los físicos les toca volver a echar cuentas.
Veremos qué sucede a lo largo del año de 2012 y volveré a contarte qué han encontrado y si sabemos un poquito más de nuestro universo o seguimos hechos un lío.
Hasta entonces, cuídate mucho. Recuerdos al abuelo.
Antonio
*PD. Ninguna abuela resultó herida durante la elaboración de este artículo. Si tu abuela es licenciada en física y no necesita que su nieto le explique nada, échale la culpa a Einstein, por basarse en estereotipos caducos e injustos sobre las abuelas.
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Hoy no he podido descansar
el Bosón de Higgs
me ha hecho dudar
si yo estaba en la cama
o todo era irreal
y formaba parte
de una particula singular
que nos quiere demostrar
que lo real
ya no es lo que se toca
si no lo que no se ve
y te puede llevar
de aquí para allá
como si todo fuera
una película de Supermán.
El Bosón de Higgs
yo lo descubrí
un día en que cansado de trabajar
fui a yacer a un pajar
y vi como un rayo de luz
se llevaba a gran velocidad
particulas de polvo
que en el aire flotaban sin cesar
¡Jesús me dije!
y me puse a rezar
hasta que me vino
en un instante y sin mucho pensar
una idea genial
abrir las ventanas
para que la luz llenara el lugar.
Todo se lleno de vida,
todo cambio en el lugar,
el polvo se hizo luz
y la luz me llenó
a mi de felicidad.
Eureka, grité sin cesar
lo que acabo de descubrir
y lo bueno del caso
es que no se lo puedo a nadie contar
pues dirán
que no estoy bien
y que eso del bosón
es una tontería más
de la modernidad
Para acabar
pongo fin
a esta historia singular
pues con bosón o sin bosón
me tengo que ir a trabajar.
Autor de la poesía: José Vte. Navarro Rubio
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