Simulación que muestra el decaimiento de un Bosón de Higgs

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El gran colisionador de hadrones - La Jornada ...
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PAOLA D´ALESSIO Y SANDRA AYALA
Se están llevando a cabo las últimas pruebas, los toques
finales, antes del gran estreno (aparentemente a mediados
de Septiembre) de un instrumento increíble: el Gran
Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), a
cargo del CERN (Consejo Europeo para la Investigación
Nuclear). Consiste en un enorme túnel de sección octagonal,
doblado como un círculo de 8.7 km de diámetro (es decir, 27
km de recorrido), entre 50 y 175 metros bajo tierra, en la
frontera entre Francia y Suiza. Se trata del acelerador de
partículas más grande construido hasta ahora, que gracias a
Simulación que muestra
unos 1800 poderosos electroimanes ubicados a lo largo del
el decaimiento de un
túnel, acelerará protones a 99.9999991 % de la velocidad de
Bosón de Higgs
la luz. Estos protones alcanzarán una energía 16 veces mayor
después de la colisión
que lo que se había logrado con los aceleradores de hace
de dos protones en el
una década, del orden de los 7 Teraelectrón voltios (TeV),
experimento CMS, del
7,000,000,000,000 electronvoltios (eV). 1 TeV es como
LHC Foto:
1000 veces la energía asociada a la masa en reposo del
CHTTP://CMSINFO.CERN.CH
protón, dada por la famosa ecuación de Einstein E= mc2, así
/OUTREACH
que los protones acelerados del LHC, que colisionarán con
/CMSMEDIA
energías de 14 TeV, serán capaces de romperse en
/CMSPHOTOS.HTML
pedazos, y se podrán estudiar las partículas más básicas que
componen la materia. En el LHC se producirán haces de estos energéticos protones y
de núcleos de Plomo que circularán por el túnel y colisionarán en cuatro puntos, donde
se encuentran unos detectores gigantes (CMS, LHCb, ATLAS y ALICE), cada uno de los
cuales es todo un experimento en sí mismo.
Los electroimanes encargados de acelerar y confinar los haces de protones tienen que
ser enfriados a unas temperaturas muy, muy bajas (¡271 grados centígrados bajo
cero!). A estas temperaturas el material de los electroimanes se convierte en
superconductor, es decir, que conduce la electricidad sin resistencia, y produce
campos magnéticos mucho más intensos que los electroimanes convencionales. El
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fenómeno de la superconducción fue descubierto hace uno 80 años por el físico
holandés Kammerlingh Onnes, quien estudiaba cómo variaba la resistencia del mercurio
haciendo pasar por él una corriente eléctrica, mientras bajaba y bajaba la temperatura.
Cuál no sería su asombro cuando se encontró con que debajo de los 270 grados
centígrados bajo cero, la resistencia no se hizo más pequeña sino que desapareció
completamente. Este extraño fenómeno fue explicado unos 50 años después, en 1957,
por los físicos John Bardeen, Leon Cooper y Robert Schrieffer, que ganaron el premio
nobel en 1972. La superconductividad – cuya idea básica había sido propuesta en 1950
por el físico Fritz London – es un fenómeno cuántico que normalmente ocurre a escalas
atómicas, pero que a muy bajas temperaturas llega a manifestarse a escalas
macroscópicas. Consiste en que todos los electrones libres del conductor se vuelven
coherentes y actúan como si fueran una sola partícula, evitando colisiones con los
núcleos que forman la estructura del material conductor, lo cual es equivalente a hacer
desaparecer por completo la resistencia. Una corriente puede permanecer circulando
en un superconductor por tiempos muy largos sin necesidad de invertir energía
adicional, volviéndose super–eficientes. Un acelerador de partículas como el LHC
hubiera sido muy difícil de construir antes de desarrollar los superconductores porque
habría sido necesaria muchísima más energía de la que requiere el LHC y esto haría
imposible costearlo.
Por cierto, todo lo relacionado a este instrumento es descomunalmente grande. Por
ejemplo, se habla de producir unas 600 millones de colisiones por segundo y la
enorme cantidad de información que se tendrá que manejar es difícil de imaginar. Los
detectores producirán algo así como 300 Gigabytes por segundo de información, los
cuales se tienen que filtrar buscando “eventos interesantes” y reduciendo el flujo de
información a unos 37 Terabytes por día (que sigue siendo mucho). Estos datos se
harán llegar a muchas instituciones académicas en todo el mundo.
Pero… a todo esto... ¿que es un hadrón? Es el nombre que reciben las partículas
subatómicas compuestas por quarks, los cuales interactúan entre sí a través de la
Fuerza Nuclear Fuerte. Por otro lado, el electrón, los neutrinos y otras partículas, son de
otra familia, llamada leptones, que no interactúan fuertemente como los quarks, sino
que están sujetos a la Fuerza Electro-Débil (la unificación de la Fuerza Electromagnética
y la Nuclear Débil). La física en general se dedica a entender y cuantificar las leyes que
describen el mundo material, y en el proceso de buscar cuáles de estas son más
fundamentales, se intenta unificar a todas las leyes conocidas dentro de una sola teoría.
Primero ocurrió la unificación de la electricidad y el magnetismo, como dos aspectos
distintos del mismo fenómeno, y ahora se llama: electromagnetismo. Después se logró
unificar al electromagnetismo con la teoría que describía la interacción nuclear débil, y
entonces se llamó Teoría Cuántica Electro-débil. Los avances siguieron y la teoría que
unifica la Teoría Cuántica Electro-débil con la Cromodinámica Cuántica (que describe a la
Fuerza Nuclear Fuerte) se llama Modelo Estándar, un nombre que parece enfatizar que
aún no se considera como una teoría definitiva, a pesar de sus éxitos prediciendo y
explicando resultados de muchos experimentos.
Este Modelo Estándar se basa en la teoría cuántica de campos y describe a la materia y
sus interacciones en términos de partículas de materia (los Fermiones, como los
leptones y los quarks), las partículas mediadoras de las fuerzas (o los Bosones, como
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los fotones, gluones y bosones de Gauge W+,W– y Z ) y una partícula especial llamada
Bosón de Higgs.
Cuando se lanza la pregunta ¿para qué sirve el LHC?, la respuesta rápida que dan los
físicos es “para detectar el Bosón de Higgs”. Esta es una partícula hipotética, predicha
por el Modelo Estándar y que tiene el papel fundamental de explicar por qué las demás
partículas tienen las masas que tienen, o por qué no tienen masa, como en el caso del
fotón. La versión más sencilla del Modelo Estándar que se puede construir, con la
menor cantidad de suposiciones, predice que todas las partículas deberían tener masa
nula y moverse a la velocidad de la luz. Peter Higgs y varios otros físicos de distintos
grupos, propusieron un mecanismo que consiste en que el Universo entero está
permeado por un campo (que se llama campo de Higgs) y lo que llamamos la masa de
las partículas es una medida de la intensidad de la interacción entre las partículas y el
campo de Higgs. Cuanto mayor sea la interacción, las partículas tienen más masa y
menor velocidad. Los fotones no interactúan para nada con este campo, así que esto
implica que no tienen masa y que se mueven a la velocidad de la luz. Cómo la Mecánica
Cuántica asocia a las ondas que se propagan en cada campo con alguna partícula (como
el fotón, que se asocia a oscilaciones del campo electromagnético), se predice que
debe existir el Bosón de Higgs, asociado a oscilaciones del campo de Higgs. Se piensa
que la razón por la cual no se ha detectado todavía es que en lo aceleradores más
antiguos no se lograron producir colisiones con la energía suficiente. Pero con el LHC se
espera detectar y estudiar esta partícula fundamental, que es la única predicha por el
Modelo Estándar que aún no ha sido observada. Se estima que el Bosón de Higgs es
inestable y solo vive una pequeñísima fracción de segundo, pero es posible detectar
las partículas en las que se desintegraría. De detectarse, reforzaría el Modelo Estándar
y de no detectarse, hay que buscar otras alternativas. Lo que es cierto es que estamos
al borde de descubrir cómo se comporta la materia en la escala de energías de los
TeV, y los resultados de los experimentos con este instrumento nos pueden deparar
muchas sorpresas.
Es curioso que cuando se busca LHC en internet se topa uno con mucha discusión
acerca de la seguridad del instrumento, pero no en el sentido de que esté bien
construido y no se derrumbe, sino en qué le va a suceder a la Tierra, si de las
colisiones surgen microagujeros negros o monopolos magnéticos o materia extraña,
como los strangelets. Hasta ha habido demandas legales para suspender la puesta en
marcha del LHC, aunque casi todas han sido desechadas a partir de cálculos hechos por
físicos del CERN, que demuestran la casi nula probabilidad de todos los fenómenos
peligrosos que se han propuesto. La última demanda es del 26 de agosto de este año,
ante la Corte Europea de Derechos Humanos, en Estrasburgo, alegando que el LHC es
un grave riesgo para la vida de los pobladores de la Unión Europea, y está aún
pendiente la resolución de la corte. Lo cierto es que los rayos cósmicos que llegan a la
Tierra desde el espacio exterior, han sufrido en la atmósfera colisiones tan energéticas
como las que se lograrán en el LHC, desde unos 4500 millones de años, y aún estamos
aquí para contarlo.
Para más información pueden revisar: http://public.web.cern.ch/public/en/LHC
/LHC-en.html
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