Vuelve el Gran Colisionador. ¿Qué partículas encontraremos ahora?


boson

El Gran Colisionador de Hadrones ha vuelto a funcionar. Tras dos años de renovaciones, los protones ya giran alrededor del gigantesco anillo subterráneo de 27 kilómetros.

Allí descubrimos el bosón de Higgs. Esta vez va a ser aún más interesante. El primer objetivo era encontrar el Higgs: estábamos casi seguros que debía estar ahí y felizmente apareció. Ahora no estamos demasiado seguros de qué será lo que encontraremos!

Bueno, pero ¿tenemos alguna idea de las partículas que podrían aparecer?

Sí, tenemos algunas hipótesis, pero antes de responder a esta pregunta, permitidme un pequeño recordatorio de cómo funciona el acelerador y qué ha cambiado desde la última vez.

¿Cómo funciona el Gran Colisionador de Hadrones?

El funcionamiento básico del LHC es muy sencillo:

1) Los protones dan vueltas por el túnel circular de 27 km. Algunos protones van en un sentido y el resto en el sentido contrario.

2) Aceleras los protones hasta casi la velocidad de la luz [hasta el 99,9999991% de la velocidad de la luz]

3) Los protones, que viajan en direcciones opuestas, chocan, se desintegran y crean nuevas partículas. [Dicho en palabras de Albert Einstein, la energía de la colisión se convierte en masa de nuevas partículas porque E=mc2].

4) En los lugares del anillo donde se chocan los protones colocas detectores para intentar “ver” las nuevas partículas que se han formado. [En el Colisionador hay 4 detectores que se llaman ATLAS, CMS, LHCb y ALICE].

Vale, ¿y qué ha cambiado en el Colisionador desde que descubrimos el bosón de Higgs?

Las renovaciones de los últimos dos años han servido para aumentar la energía a la que chocan los protones.

Para acelerar los protones hasta casi la velocidad de la luz necesitas un campo magnético tremendo. Cuanto más fuerte sea el campo magnético, más rápido circularán los protones y más energía habrá en los choques.

Para que os hagáis una idea de la dificultad técnica: el Colisionador es uno de los lugares más fríos de nuestra Galaxia. Los electroimanes necesitan ser enfriados a -271 C, una temperatura aún más baja que la del espacio interestelar.

Con las mejoras que se han hecho, el campo magnético creado dentro del acelerador es más potente: los protones chocarán con más fuerza.

OK, ya entiendo más o menos cómo funciona el acelerador. Pero entonces, ¿tenemos alguna idea de qué nuevas partículas podríamos encontrar?

Bueno, tenemos algunas hipótesis. Algunas se remontan a los años 70, pero no estamos seguros de que sean correctas.

1) Partículas supersimétricas

Hasta ahora, nuestro conocimiento sobre las partículas fundamentales que componen la materia está encapsulada en una teoría llamada “el Modelo Estándar”.

El Modelo Estándar es una teoría que funciona muy bien, pero contiene algunas “fisuras” con los que los físicos no estamos demasiado a gusto. [Por ejemplo la masa concreta del bosón de Higgs o la conexión entre fermiones y bosones].

Para solucionar estos problemas, los físicos teóricos desarrollaron desde los años 70 una teoría que se conoce como “Supersimetría”.

La Supersimetría predice que cada partícula fundamental tiene una compañera. A esa compañera se le llama “compañera supersimétrica”. Por ejemplo: además del fotón también existiría el “fotino” o además del Higgs también existiría el “Higgsino”.

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Si la teoría de la Supersimetría es correcta, creemos que estas partículas deberían aparecer en el Colisionador.

2) Extradimensiones y mini-agujeros negros

Vivimos en un mundo de 4 dimensiones: las 3 dimensiones del espacio y la dimensión del tiempo.

Pero, ¿y si existiesen otras dimensiones tan pequeñas que no podemos ver?

Puede parecer ciencia ficción, pero estas dimensiones “extra” nos podrían ayudar a comprender cosas que todavía no entendemos. [Por ejemplo: porqué la gravedad es una fuerza tan débil o porqué el Universo se expande tan rápido].

Si estas dimensiones existen, podrían manifestarse en el Colisionador de varias maneras. Una primera forma sería encontrando nuevas partículas. [Por ejemplo versiones masivas de los botones Z y W].

Otra forma posible sería la creación de mini-agujeros negros. ¡No preocuparse! Además de ser minúsculos, estos agujeros sólo existirían durante 0,000000000000000000000000001 segundos. [Son 26 ceros, espero no haberme equivocado].

Esos mini-agujeros negros se desintegrarían antes de que pudiésemos detectarlos, pero dejarían una “huella” que podrían captar los detectores.

3) Materia oscura

Además de la “materia normal”, sabemos que en el Universo hay “materia oscura”. De hecho, sabemos que en el Universo hay bastante más “materia oscura” que “materia normal”.

El problema es que nunca la hemos detectado. Tampoco tenemos ni idea de qué está formada.

Espera, ¿entonces cómo sabemos que existe si nunca la hemos detectado? Porque de lo contrario las galaxias no podrían girar como giran.

Dicho de otra manera: NO podemos “ver directamente” la materia oscura pero SÍ podemos “ver los efectos” que produce la materia oscura en la materia normal.

Algunas teorías dicen que la materia oscura podría estar relacionada con las partículas supersimétricas de las que hemos hablado antes y que podríamos detectar.

4) Que encontremos algo que no nos esperábamos

Esta sería en mi opinión la alternativa más divertida: que encontremos algo completamente diferente a lo que nos esperábamos.

Eso sí, a los físicos que han dedicado sus carreras a la teoría supersimétrica creo que no les haría demasiada gracia.

Una canción rap para el bosón de Higgs

En 2008, Kate McAlpine tenía 23 años y trabajaba en el CERN.  Cada mañana necesitaba 40 minutos de autobús para llegar desde su apartamento en Ginebra hasta el laboratorio. Así que decidió aprovechar ese tiempo para escribir un rap en honor del LHC, el acelerador de partículas donde se ha detectado lo que parece ser el bosón de Higgs.

Kate convenció a algunos colegas para grabar un videoclíp. Aquí está el resultado.

Lecciones que aprender:

1) A los físicos no se nos debe dejar mucho tiempo libre, porque se nos pira muchísimo la cebolla.

2) Nuestras dotes para la danza son netamente inferiores a las de un chimpancé lobotomizado.

Pero, a mí, me encanta esta tontuna. ¡Qué grande eres, Kate!

El bosón de Higgs (“la partícula de Dios”) en 9 claves

Hoy es un día histórico para quienes nos dedicamos a la física. Aunque el anuncio del descubrimiento parece que no será definitivo, dos equipos del CERN tienen evidencias de una partícula que hemos perseguido durante décadas: el bosón de Higgs.

Os propongo explorar, de manera sencilla, algunas cuestiones relacionadas con esta aventura científica: ¿qué es el bosón Higgs? ¿por qué es tan importante encontrarlo? ¿de dónde surgió el apodo “la partícula de Dios”?

Pero, antes de nada, demos un pasito atrás y comencemos por una pregunta más sencilla:

1.- ¿De qué está formada la materia?

La materia esta 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 estan 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.- Vale, 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 que os hagáis una 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.

Para comprender esto, volvamos a la analogía de la sardina y la ballena. La sardina nada muy rapidamente porque es pequeñita y tiene poco agua alrededor. La ballena es muy grande, tiene mucho agua alrededor y por eso se mueve más despacio. En este ejemplo, “el agua” juega un papel análogo al “campo de Higgs”.

Si lo pensáis despacio, la teoría de Higgs es muy profunda pues nos dice que la masa de todas las partícula está originada por un campo que llena todo el Universo.

6.- ¿Problema resuelto?

No tan rápido, caballeros. 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:

1) 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.

2) 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.

8.- ¿Y el término “la particula de Dios”? ¿Acaso no éramos científicos?

El origen del apelativo “la partícula de Dios” es una de mis anécdotas favoritas en física.

Allá por los años 90, Leo Lederman, un Premio Nobel, decidió escribir un libro de divulgación sobre la física de partículas. En el texto, Lederman se refería al bosón de Higgs como “The Goddamn Particle” (“La Partícula Puñetera”) por lo difícil que resultaba detectarla.

El editor del libro, en un desastroso arranque de originalidad, decididió cambiar el término “The Goddamn Particle” por “The God Particle” y así “La Partícula Puñetera” se convirtió en “La Partícula de Dios”.

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 seguiremos teniendo trabajo por mucho tiempo!).

Todavía quedan decenas de problemas que estamos 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?

Al final, nuestro trabajo como científicos consiste en avanzar, aunque sólo sea un pasito, para que las generaciones futuras comprendan, un poquito mejor que nosotros, cómo funciona este hermoso Universo que nos rodea.

(Crédito de la fotografía: Secretaria de Estado de Investigación, Desarrollo e Innovación)