Lo que compone nuestro mundo - Parte 2

Lo que compone nuestro mundo y que lo mantiene unido. Parte 2: ¿Qué es la partícula de Higgs?

La reciente descubierta partícula de Higgs, en el centro de investigaciones CERN ha corrocado la validez del modelo estándar de las partículas elementales.- Este modelo había postulado la existencia de un “campo” (el campo de Higgs) que abarca todo el universo, con el cual todas las partículas interactúan h del cual obtienen su masa. Mediante la adición de una energía suficientemente alta, en acelerador de partículas (Large Hadron Collider – LHC) fue posible crear alteraciones (oscilaciones de densidad) en el campo de Higgs, que aparecieron como partículas reales con las características previstas para la partícula de Higgs.

 De Manfred Jeitler para el Science-blog

¿Por qué en el modelo estándar se necesita necesariamente una partícula Higgs?

El problema consiste en, que en este modelo, ante todo todas las partículas elementales no tendrían masa. De hecho existen partículas, que no tienen masa, así por ejemplo el “fotón” o partículas de luz (cuando vemos algo, estos fotones simplemente ingresan en nuestros ojos, que luego los pueden percibir). Pero se ha determinado experimentalmente, que otras partículas si tienen masa.  Ahora usted quizás podría pensar: “¡Locos estos físicos! ¡Esto ya los sé sin ellos! Yo mismo, dicen ellos, estoy compuesto por estas partículas. Y que yo tengo masa lo sé muy bien. ¡Me carga ver todos estos kilos cuando me subo a una pesa! Luego la masas debe estar en estas partículas” ¡Pero esto no es tan simple! Un sistema de partículas elementales, visto desde afuera, puede tener mucho más masa que sus “componentes” individuales. Esto se debe, que esto no se puede imaginar como un juego de ladrillos Lego. El porqué esto es así lo veremos un poco más adelante.

¿Qué es el campo de Higgs?

Mientras tanto simplemente queremos tener una teoría, que explica, porqué algunas partículas tienen masa, o sea “pesan algo”. Para esto el físico escocés Peter Higgs (¡Ahora sabemos de dónde viene el nombre!) y otros introdujeron un “campo”, y esto produce esta masa. (Usted seguramente ha oído hablar de campos eléctricos, campos magnéticos o del campo gravitacional. El campo de Higgs, en lo esencial es un campo de este tipo).

El físico inglés Davis Miller se lo explicó a su ministro de ciencia: En una recepción diplomática, de pronto entra a la sala un destacado político (figuras 2.1 izquierda), de inmediato los asistentes presentes s abalanzan sobre él, ante todo los periodistas y los paparazzi, y lo quieren entrevistar, fotografiar o por lo menos mirarlo. El pobre está ahora rodeado por una muchedumbre y ya no se puede mover libremente (figura 2.1 derecha) sólo en forma muy lenta (esto naturalmente puede ser bochornoso, quizás él sólo quería ir al baño). Él, por decirlo así recibió una enorme masa. 

 

 
 Figura 2.1: Un campo uniforme (izquierda) le puede dar masa a una partícula pasante (derecha) (mecanismo de Higgs, cómo se lo explicó David Miller a su ministro)  
 

  Algo parecido le sucede a las partículas elementales: Ellos son el político y el campo de Higgs los paparazis. También puede suceder que no entra un famoso político, pero sin embargo, alguien entre equivocadamente (o a propósito, para burlarse de los otros) y grita: “¡Ahí viene!” (Figura 2.2 izquierda). De inmediato los curiosos se precipitan y no se dan cuenta de inmediato hacia la puerta, que allí no hay nadie, a quien comerse con la vista. Este grupo de personas, sin un político en el medio, se parece mucho como recién, y avanza lentamente, porque se acercan por delante cada vez más personas, mientras que detrás loas personas se alejan decepcionadas (Figura 2.2 derecha).  

 

 Figura 2.2.- Un campo uniforme (izquierda) puede formar aglutinaciones (derecha): Traducido al idioma de la física esto es la partícula de Higgs (El mecanismo de Higgs – cómo se lo explicó Davis Miller a su ministro).

De nuevo:

•         Necesitamos el campo de Higgs, para podernos explicar la masa de las partículas.
•        Pero entonces también en ocasiones debe formar aglutinaciones sin la presencia de una partícula, y esto hay que demostrarlo como la partícula de Higgs.

¿Cómo se forma la partícula de Higgs?

 ¿Cómo se puede formar una partícula pesada, pero de seguro no por sí mismo? De hecho es pesado, pesa más de cien veces que un protón. En el acelerador del CERN, son lanzados protones, unos contra otros, a alta energía. ¿Cómo entonces de esto sale disparado una partícula cien veces más pesada?

 Usted seguramente ya ha oído hablar de la famosa fórmula E = mc² es decir, “La energía es igual a la masa multiplicado por el cuadrado de la velocidad de la luz”¿Qué significa esto? 

En realidad energía es lo mismo que masa, sólo multiplicado por un número enorme.Piense en el dinero. Hoy se paga en Italia con Euros, antes se pagaba con Liras. Un Euro es casi tanto dinero, cómo en aquella época dos mil liras, Pero sigue siendo dinero. Y si usted encuentra un billete antigua asó. Puede ir al banco nacional de Italia y cambiarlo.

Del mismo modo es la situación con energía y masa.

 En una central de energía nuclear los productos de desecho después de la “generación de energía” pesan un poco menos que las barras de combustión al inicio. Una pequeña cantidad de masa (peso) se transformó en una gran cantidad de energía (kilowatt horas).

 En un acelerador el asunto es inverso: Se introduce muchos kilowatt horas en la aceleración de los protones, y si estos entonces colisionan con mucho impulso, entonces parte de esta anergia puede ser transformada de nuevo en masa, o sea en partículas más pesadas, que luego los físicos, con un poco de suerte, los pueden detectar mediante sus instrumentos. (Ahora también se puede entender, porque un sistema de partículas elementales puede pesar más que todas las partículas individuales juntas: La energía, con la cual se mantienen juntas, que revolotean unas alrededor de otras, corresponde justamente a esta masa adicional). 

¿Cómo se puede encontrar y evidenciar la partícula de Higgs? 
 

¿Qué en realidad significa encontrar una partícula? ¿Y dónde está ahora la partícula de Higgs? ¿Fuertemente protegido en una caja fuerte en el CERN, para que no venga alguien y nos la quite? No, naturalmente que no. No es una partícula sola, como la “Mona Lisa”, de la cual sólo existe una en el mundo, sino es una determinada especie de partículas. Además no es estable: Así de rápido cómo llegó, se fue.

Esta pobre partícula de Higgs es tan efímera, que incluso si se moviera a caso la velocidad de la luz, nunca sobre pasa el par de metros hasta nuestro detector.
¿Pero cómo entonces los físicos se atreven a afirman que han “visto” eta partícula?

Debemos pensar un poco,en lo que queremos decir cuando afirmaos haber “visto”. Si vemos algo no tenemos que tocarlo. Podemos estar muy lejos de aquel algo, pensemos sólo en las estrella en el cielo nocturno. Lo importante es sólo, que nos llegan  las partículas de la luz (“fotones”) que son emitidos dese allá.

Algo similar sucede con las partículas de Higgs (y con muchas otras partículas fugaces): No llegan a nosotros, se desintegran antes, pero mediante nuestros detectores podemos probar los productos de desintegración. En la Biblia dice. “Por sus frutos los conoceréis”. Esta regla también tiene validez en la física de partículas: Si se logra medir correctamente todos los productos de desintegración de una partícula, entonces se puede calcular en forma exacta la masa de una partícula disgregada. La masa (digamos el peso) es algo así como la tarjeta de presentación de una partícula. Distinto como en el humano, dónde puede suceder que dos personas teman el mismo peso, donde las partículas, estas se pueden identificar por su masa. (Tampoco existen tantas partículas como seres humanos).
Justamente así fue cómo los físicos del CERN comprobaron la existencia de la partícula de Higgs. 

El descubrimiento de la aguja en el pajar

Sólo, que esto no es tan simple. Muchas veces no se ven todos los productos de la desintegración, o se cometen errores en la medición. Pero existen muchos, muchos otros procesos, que no tienen nada que ver con las partículas de Higgs, pero que ocurren más a menudo. Seguramente usted ya adivinó que la partícula de Higgs no  aparece con mucha frecuencia, sino los físicos ya hace tiempo la habrían encontrado. Pero si existen tantos otros eventos, que son mucho más frecuentes, y que a veces se cometen errores, estos de repente podrían verse cómo una partícula de Higgs (Usted sabe, quien trabaja comete errores; aquel que trabaja mucho, comete muchos errores. Pero el que no comete errores es jefe). La “masa”, que entonces se calcula, es aquello, que nosotros llamamos el número de la casa: Cualquier valor sin una significancia especial, a veces más grande, a veces menores. Estos errores forman la “sub-base”. “¡Esto es terrible!” se quejará usted ahora. “¡Tanto esfuerzo, y primeramente se mide algo erróneo!” Pero existe una salida, la sub-base dará cualquier valor para la “masa”, no siempre el mismo, pero las verdaderas partículas de Higgs siempre tienen la misma masa. Es decir, con el valor correcto se ve algo más a menudo que en los erróneos. Esto es cómo con los teléfonos, o las conversaciones mediante Skype si la conexión es mala apenas se entiende algo, pero si la otra parte constantemente repita la misma importante información entonces va a llegar el momento en el cual uno la comprende. 

 Un cuadro dice más que mil palabras, y aquí de puede ver uno de los cuadros que han documentado el descubrimiento de la partícula de Higgs (figura 2.3). Se han estudiado casos, en los cuales exactamente donde fueron vistos dos fotones (en la física los fotones son indicados con el minúsculo de  la letra griega Gamma). En el eje vertical, para cada  uno de los muchos casos medidos está anotada la masa, que tendrían cualquier otra partícula, si se hubieran desintegrado en fotones (para los fotones, se midió cada vez una energía y la dirección de vuelo diferentes, por esto existen muchos diferentes valores para esta “masa”, quje quizás ni corresponden a una masa de una partícula real, y por cierto, en la jerga de los físicos se la llama “masa invariante”). La unidad se denomina “GeV” (giga electronvoltios), pero no se preocupe por esto, también podríamos haber escrito kilogramos (sólo que con esto tendríamos que trabajar con cifras poco prácticas; usted en un negocio tampoco pide “por favor un diez mil milésima de toneladas de queso”, sino “cien gramos”).

El eje vertical representa la frecuencia con la cual se ha calculado un determinado valor. Los valores falsos parecen con mayor reiteración con “masas” menores, que en muy altos. Por esto la curva va desde la Izquierda arriba hacia la derecha abajo. Importante es la corcova en 125 GeV, esta proviene de las verdaderas partículas de Higgs, que se desintegraron en dos fotones y no de algunos eventuales resultados de fondo (No se deje turbar por las inscripciones en el diagrama, son sólo detalles, que aqupi no tienen mayor importancia).

Figura 2.3: La masa de la recientemente descubierta partícula de Higgs 125 GeV  

¿Cómo sigue esto?

Las partículas de Higgs no siempre se desintegran en dos fotones, también podrían dejar otros productos de disgregación. Resultados como estos también fueron medidos, y siempre se obtuvieron el mismo valor para la masa de Higgs, y por esto ahora estamos muy seguros, que realmente hemos encontrado la partícula de Higgs. Lo que no significa, que con esto todo está aclarado y que ya no queda nada más por hacer. Ahora primeramente debemos investigar las propiedades de esta nueva partícula, y ahí el asunto se pone interesante.

¡Aún hay mucho trabajo. ¿Quizás usted querrá estudiar física y cooperar en esto?

Nota del autor
Este aporte está dedicado a mi amigo y colega Laurenz Widhalm, un físico entusiasta, que se ha comprometido especialmente de acercar la física al público en general y en especial a la juventud, desgraciada menta nos ha abandonado demasiado temprano.

Fuente: http://www.science-blog.at

Traducido del alemán por A. Gundelach, con la gentil autorización del Dr. Manfred Jeitler , Marzo 2013