miércoles, 13 de febrero de 2013

Campos cuánticos, simetrías y el bosón de Higgs

El pasado martes 12 de febrero el Dr. José Ignacio Illana, profesor titular del departamento de Física Teórica y del Cosmos venía a nuestro instituto a pronunciar una conferencia sobre un tema de máxima actualidad e interés: el bosón de Higgs y su importancia dentro de la física.
Inició su charla haciendo referencia a qué es la ciencia y en qué consiste el método científico. Habló a continuación acerca de la materia, de cuáles son las partículas que la componen y las fuerzas mediante las que éstas interaccionan: la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. La primera es muchísimo más débil que las otras tres en el mundo subatómico; sin embargo, es la que gobierna el cosmos. Las demás se estudian tanto en los aceleradores de partículas como en los rayos cósmicos. En los primeros, generalmente protones y/o electrones se aceleran a velocidades próximas a la de la luz dotándolos de una gran energía. La energía disponible en la colisión da lugar a la formación de nuevas partículas elementales gracias a la equivalencia entre masa y energía que predice la famosa ecuación de Einstein.
Comentó que los pilares de la física actual son la teoría de la relatividad de Einstein y la mecánica cuántica, que combinadas dan lugar a la teoría cuántica de campos. Tras explicar qué es un campo, comentó que las partículas se entienden como vibraciones o excitaciones de los campos cuánticos, las cuáles pueden ser de dos tipos: de materia y de interacción. Entre las primeras están las partículas con masa como los quarks o los leptones; entre las segundas están los fotones, los gluones sin masa de las interacciones electromagnética y fuerte respectivamente y los gluones W y Z con masa de las interacciones débiles.
Planteó a continuación qué es la masa, una medida de lo que cuesta ser acelerado, y explicó cómo el 99% de la masa de los protones se explica en términos de la energía que mantiene unidos a los quarks que los forman, mientras la masa de estos constituyentes elementales sólo representa un 1%. Y a esta cuestión de qué es la masa de las partículas elementales, que consideramos puntuales, es a lo que responde el campo de Higgs.
Higgs se basa en la simetría, un elemento muy importante y frecuente en la naturaleza. Sin embargo, es en las leyes básicas de la física donde hay que buscar la simetría más profunda de la naturaleza. Una ecuación es simétrica si queda invariante, es decir, sus soluciones son las mismas cuando se hace alguna transformación matemática a los parámetros de los que depende. Y por cada simetría que existe en las leyes físicas hay una magnitud que se conserva. Un ejemplo de ello es el principio de conservación de la energía, basado en la simetría bajo traslaciones temporales. Además si se imponen unas sencillas simetrías internas a las ecuaciones (invariancia bajo ciertas transformaciones de los campos) se obtienen inmediatamente todas las interacciones fundamentales que conocemos. Sin embargo, esta sugerente idea parece no realizarse en la naturaleza porque requiere que todos los campos carezcan de masa, y sabemos que muchos de ellos son masivos. El mecanismo de Higgs, basado en la llamada rotura espontánea de la simetría, permite entender qué es la masa sin renunciar a este principio de simetría que dicta la forma de las interacciones, en el que se basa el modelo estándar de la física de partículas.
El Dr. Illana destacó que la idea consiste en introducir nuevos campos, cuya configuración es tal que su estado de mínima energía no sea único, sino un conjunto de ellos, todos conectados con la simetría. Es algo parecido a lo que ocurre cuando dejamos una bolita (en equilibrio inestable) sobre la copa de un sombrero mejicano, como el de la figura adjunta. La situación es perfectamente simétrica, pero la bolita caerá espontáneamente a un estado de mínima energía, que puede ser cualquier punto en la base del ala del sombrero. Recordemos que las partículas (de cualquier campo) son excitaciones sobre el estado de mínima energía, que llamamos el vacío. En el caso de la figura tenemos dos campos, cuyas excitaciones son de dos tipos: unas a lo largo de la base del ala (que no cuestan esfuerzo) correspondientes a una partícula sin masa, y otras en dirección radial (que cuestan esfuerzo) correspondientes a una partícula con masa. Si la simetría que el vacío rompe espontáneamente es de las que da lugar a interacciones, entonces estos campos que hemos introducido se llaman genéricamente campo de Higgs y ocurre lo siguiente: el campo de interacción asociado a la simetría rota adquiere masa (decimos que engorda al comerse a la excitación sin masa del campo de Higgs, que desaparece) y existirán además excitaciones con masa del campo de Higgs, los bosones de Higgs que son la pista que hay que encontrar. Eligiendo convenientemente la configuración del campo de Higgs se logra en el modelo estándar que se rompa espontáneamente la simetría electrodébil, con lo que los bosones W y Z de la interacción débil adquieren masa mientras que el fotón queda sin ella. Los gluones están asociados a una simetría que no está rota. Las partículas de materia también adquieren masa al interaccionar con el campo de Higgs. 


Para aclarar esto, el Dr. Illana asemejó el vacío a una habitación llena de gente (el campo de Higgs). Alguien no muy conocido (una partícula con poca masa) se puede mover con facilidad entre la gente. Si es una persona famosa (una partícula con mucha masa), le costará atravesar la habitación, tanto más cuanto más famoso sea, es decir, cuanta más interacción haya. Si en esa reunión se dice que viene alguien importante, se produce una excitación que se propaga como si de una persona se tratara y esta excitación es el bosón de Higgs, que tiene cierta masa no predica por la teoría.
Y esto es lo que se busca en el CERN. El bosón de Higgs es muy difícil de detectar ya que únicamente se produce en una de cada 100.000 millones de colisiones y cuando se forma se desintegra muy rápidamente. Sin embargo el modelo estándar predice en qué partículas se desintegra y en qué proporción aparecen. Y esto es lo que hay que buscar.
Lo que se ha encontrado es una nueva partícula con propiedades compatibles con las del bosón de Higgs; la probabilidad de que se trate de una fluctuación estadística es despreciable. Pero todo esto no acaba aquí; los hallazgos realizados en el CERN podrían llevar al descubrimiento de nuevas partículas que nos ayudarían a entender ese 96% del universo constituido por materia y energía oscuras de las que todavía no se sabe casi nada.


La conferencia fue grabada por Canal Sur TV como parte de un reportaje sobre el bosón de Higgs en el que interventrán algunos de los alumnos y alumnas de nuestro instituto. 

Nuestro más sincero agradecimiento al Dr. José Ignacio Illana tanto por su magnífica conferencia como por la revisión de este texto.

19 comentarios:

  1. La conferencia me pareció muy interesante y aprendí muchas cosas nuevas sobre el Bosón de Higgs que no sabía. Me pareció muy curioso como se formaba el bosón de Higgs en el vacío con las partículas con y sin masa. Y después de la conferencia, se me ha planteado una pregunta: ¿habría alguna manera de conservar y que no se destruyera tan rápido para poder estudiarlo uno de los miles de bosones que se originan en el universo?

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    1. El tiempo de vida medio de una partícula inestable está fijado por su masa y sus interacciones. No puede sintonizarse. Sin embargo, Einstein nos enseñó (y hemos comprobado) que el tiempo es un concepto relativo, que depende del observador: si una partícula inestable se mueve respecto a nosotros a velocidades próximas a la de la luz, es decir con una energía enorme, su "vida" experimenta una dilatación que puede ser muy grande (se incrementa un factor = energía/(mc^2) donde m es la masa en reposo de la partícula y c la velocidad de la luz). En el LHC este factor para el Higgs es como mucho del orden de 10. Pero la vida media del Higgs (referida a su sistema de referencia en reposo) es de una diezmilésima de trillonésima de segundo, así que ya ves que, en cualquier caso, se nos desintegra inmediatamente. Y, aunque hubiera forma de acelerarlo (no podríamos porque no tiene carga eléctrica) ¿de dónde ibamos a sacar tan fantástica energía para almacenarlo durante siquiera un segundo?

      Como curiosidad puedo decirte que existen anillos de almacenamiento de muones (que viven 2 microsegundos, en reposo) en los que se estudian sus propiedades casi como si de una partícula estable se tratara, e incluso se está pensando construir un acelerador de muones.

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  2. Gracias por la charla, resultó de lo más productiva.

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  4. Sara Bueso Casares19 de febrero de 2013, 7:17

    Me impresiona saber que una partícula tan sumamente difícil de observar pueda ser tan importante.
    La charla,aunque compleja,me ha resultado fastinante y me han aumentado las ganas de conocer mas la física.
    Gracias

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  5. La charla fue increíble,muy interesante,fue algo de lo que desconocía y esta muy bien saber que existen estas partículas tan importantes que da sentido a la masa y el espacio,y que aunque se haya descubierto muy poco del universo,seguro que aplicando la teoría del boson de higgs se puede descubrir el resto del universo y de que esta constituida realmente la materia oscura.Gracias.

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  6. La charla fue realmente increíble,muy interesante y de un tema que desconocía y que nunca me había sonado,saber la importancia de estas partículas sobre el espacio y el sentido de la masa,aplicando esta teoría espero que se descubra todo el universo que se tiene que descubrir,y saber, de que esta constituida realmente la materia oscura.Gracias por su conferencia.

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  7. La conferencia fue muy interesante,ya que el tema del bosón de Higgs era un tema del que no sabía apenas nada además me gusto mucho la manera de transmitir las ideas.Otra de las cosas que me llamaron la atención fue el funcionamiento del acelerador de partículas, había oído hablar de él pero no sabía exactamente ni para que servía ni como funcionaba.
    La verdad es que después de la conferencia he aprendido algunas más cosas acerca del bosón de Higgs pero el tema de la simetría no me quedó muy claro.
    y además me han surgido algunas preguntas:
    ¿alguna vez se podrá decir con certeza que se ha descubierto el bosón de Higgs ?¿cuánto tiempo poodría pasar?

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    1. En Ciencia no existen certezas absolutas. Ya os comentaba que llamamos "modelos" a nuestras teorías porque son siempre provisionales. Los científicos sabemos poner en contexto, y hasta en cuarentena, los descubrimientos que se hacen pero con frecuencia la opinión pública es cruel y nos desprestigia si alguna vez un resultado se acaba demostrando erróneo (recuérdese el caso reciente de los neutrinos superlumínicos). Por eso en el CERN están siendo especialmente cautelosos antes de declarar oficialmente el descubrimiento del bosón de Higgs. Es pues una cuestión sociológica.

      De todas formas no tendrás que esperar más porque, tras haber analizado y presentado en la Conferencia de Moriond los datos recogidos en la última campaña (que teminó a finales del año pasado) y en vista de que no habrá nuevos datos hasta dentro de como mínimo un par de años (el acelerador está ya en parada técnica por mantenimiento por una temporada larga) el CERN ha declarado que la nueva partícula puede llamarse ya "un bosón de Higgs". Esto significa que tiene las propiedades de la excitación de "un" campo de Higgs pero aún no se puede confirmar que se trate de "el" bosón de Higgs del modelo estándar, pues todavía no puede descartarse otra posibilidad.

      Véase la nota de prensa del CERN del 14 de marzo en http://press.web.cern.ch/press-releases/2013/03/new-results-indicate-particle-discovered-cern-higgs-boson y una traducción en http://cafpe.ugr.es/index.php/pages/one_news/92

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  8. Me pareció una conferencia muy interesante ya que aclaró y amplió mis ideas sobre el Bosón de Higgs. Nunca hubiera llegado a pensar que esta partícula fuera tan importante. Había oído hablar del acelerador de partículas pero hasta esta conferencia no había llegado a entender su utilidad. Me parece increíble el empeño y el trabajo que ponen los científicos para descubrir si, realmente, existe el Bosón de Higgs. Espero que ésto se descubra en poco tiempo y en consecuencia nos ayude a descubrir también esa parte oscura del Universo la cual no conocemos. La conferencia ha aumentado mis ganas de seguir aprendiendo sobre estos temas y sobre todo ha despertado mi curiosidad.

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  9. David Medina Robles20 de febrero de 2013, 9:59

    La conferencia del Doctor Illana me aportó mucha información que desconocía sobre lo que ocurre en el Universo,no solo en lo que respecta al Bosón de Higgs,sino en la forma en que interactúa este.Lo equivalente a los campos cuánticos me era desconocido ya que yo pensaba que el Bosón de Higgs no tenía una vida tan corta y hacía que las demás partículas tuvieran masa de una manera diferente,por lo que me costó entender cómo puede llegar a excitarse el vacío,pregunta que me fué respondida en la ronda de dudas.Una vez aclarado todo esto he podido llegar a imaginarme lo difícil que es encontrar esta partícula ya que se produce una de cada muchos millones y el trabajo que hacen los científicos en el Acelerador de Partículas para localizarla.Una pregunta que me surgió una vez me documenté despues de la conferencia es si gracias al bosón y las partículas en las que se desintegra podríamos descubrir parte de lo que es lo desconocido del Universo.Es decir,de lo que está formada la materia oscura.

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  10. Herminia Castillo Pérez20 de febrero de 2013, 11:25

    La conferencia del Dr. Illana me resultó bastante interesante, y me impactó mucho que una partícula tan pequeña e inapreciable, pueda tener tanta repercusión en el mundo de la física. De igual forma, me ha impresionado la gran labor que llevan a cabo los investigadores, por asegurar la existencia del Bosson y la utilidad de éste.
    A pesar de la complejidad de la charla, me han fascinado los contenidos de ésta y me ha aportado mucha información desconocida para mí, porque aunque había escuchado algunas cosas relacionadas con el Bosson, nunca habría imaginado que fuese tan sumamente importante.

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  11. La conferencia me pareció muy importante ya que me ayudó a entender la importancia de el Bosón de Higgs. Aunque el principio de la conferencia fue un poco lento, a mi me resulto una conferencia amena ,teniendo en cuenta ademas que el tema a tratar es un poco complejo.Yo ya había escuchado algo sobre el Bosón de Higgs o "partícula de Dios"pero no sabía de su importancia ya que desconocía que era la causante de que la materia tuviese masa, yo entendí totalmente este concepto después de la comparación del vacío con una habitación llena de personas y el Bosón de Higgs con un rumor o excitación en esta habitación.Por ultimo darle las gracias al Doctor Illana por tan magnifica conferencia.

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  12. David García Caracuel20 de febrero de 2013, 12:39

    Cuando escuche a Don Antonio Quesada Ramos en clase de CMC informarnos sobre una charla que ibamos a tener el próximo martes sobre el Bosón de Higgs, me pregunté:¿ Bosón de higgs?¿qué es eso? . Cuando llegué a mi casa lo primero que hice después de comer , fué encender directamente el ordenador y visitar wikipedia para informarme sobre el asunto(de poco sirvió), lo único que veía eran palabras a las cuales no encontraba ningún significado.Por eso me a gustado tanto la conferencía pues porque he logrado entender esas palabras, las cuales antes no entendia. Ahora bien , tengo una pregunta que me a surgido al visitar paginas web sobre el tema , en las cuales dicen que el bosón de higgs podría ayudarnos a explicar que sucedío el segundo después del BIG BANG, ¿Cómo?
    Le dejo el link de la pagina donde me surgío esta pregunta:
    http://www.lasemana.es/opinion/noticia.php?cod=30820

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    1. Resulta que poquísimo después del Big Bang (10 elevado a menos 35 segundos!) y durante un también inimaginablemente breve periodo de tiempo (10 elevado a menos 32 ó menos 33 segundos!) creemos que el Universo experimentó un crecimiento exponencial que llamamos "inflación" gracias al cual (es nuestro "modelo") entendemos propiedades tales como su sorprendente planitud, homogeneidad e isotropía a gran escala. Se piensa que este crecimiento desmesurado se debe a un campo escalar que genéricamente se llama "inflatón", que es un campo del mismo tipo que el de Higgs. Así que aprender sobre el Higgs puede ayudarnos a aprender sobre el inflatón. De hecho no es descartable que el Higgs sea el inflatón!, aunque esto no es posible dentro del modelo estándar.

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  13. David García Caracuel20 de febrero de 2013, 12:51

    Se me olvidaba , quisiera darle las gracias al Dr.Illana por esta estupenda conferencia.

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  14. Claudio Jiménez Guerrero20 de febrero de 2013, 13:53

    Quiero empezar dando las gracias al Dr. Illana, a Don Antonio Quesada y a demás personas que han hecho posible esta conferencia, realizada el martes sobre el Bonsón de higgs. Me resolvieron las dudas planteadas durante la charla, aún que he de reconocer que se me escaparon algunos detalles ya que la conferencia contenía demasiada y compleja información. La conferencia no solo me ayudo a saber y conocer mas sobre el Bosón de higgs, si no que también me ayudo bastante a la hora de comprender el punto de vista de físicos, investigadores, y demás colaboradores en este tipo de investigaciones. Por que no comprendía o no quería entender el porqué de estas investigaciones de tan alto presupuesto. Gracias a Don Antonio y al Dr. Illana, comprendí que una de las características del ser humano, es el ansia de conocimiento, la "sed" de saber mas sobre nuestro pasado, nuestro futuro, lo que nos rodea y otras interrogantes que se nos plantean a lo largo de la historia. Y una vez más doy las gracias por calmar mi "sed" ya que yo personalmente a penas podía plantear la idea de la existencia del Bosón de higgs a penas había escuchado algo sobre él. MUCHAS GRACIAS.

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  15. Esta conferencia ha sido excepcional e increíble. Gracias a ella tengo las ideas más ordenadas y además la partícula "divina" ha adquirido otro significado para mí.
    Creo que habría que hacer más conferencias sobre el tema, ya que algunos apartados como el de la simetría son tan amplios que son difíciles de comprender en una hora. Aún así el Dr. José nos facilitó la charla empleando un ejemplo muy fácil sobre el Bosón. Nunca llegué a pensar que esto pordría ser tan importante, incluido el acelador de partículas del que he aprendido muchas más cosas.
    Sobre todo me he quedado con dos cosas: que investigamos por el hecho de tener curiosidad y que hay que ser humildes.
    Mi curiosidad es la siguiente: ¿tiene algo que ver el Bosón con la materia negra? Y si es así,¿qué pasaría si estuviese muy ligada a ella?

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    1. Sí y no. Me explico. El bosón de Higgs no es un constituyente de la materia oscura. Por otro lado, debemos aceptar que existe física "mas allá" del modelo estándar (ME), pues la materia oscura no está compuesta de ninguna de las partículas del modelo ME (o no en una fracción significativa, para ser más exactos). En modelos más allá del ME se proporcionan "candidatos" a explicar la composición de la materia oscura. Los más populares de estos modelos son los basados en "supersimetría", que predice la existencia de un "compañero" para cada partícula del ME, incluido un compañero para el Higgs. Tengo que decir, de pasada, que en supersimetría hace falta más de un Higgs (tres neutros y dos cargados) y que todos tienen compañeros, que llamamos "higgsinos". Pues bien, resulta que un candidato viable a componer la materia oscura (no el único) sería el "neutralino", una combinación de higgsinos neutros y de los compañeros supersimétricos del fotón ("fotino") y la Z ("zino"). De ser así, hay muchas probabilidades de que el LHC produzca estos neutralinos... o que eche abajo esta interesante hipótesis.

      Tu segunda pregunta es igualmente interesante. También los compañeros supersimétricos adquieren masa por el mecanismo de Higgs. Así que si, por ejemplo, el neutralino fuera la partícula que forma la materia oscura, su masa se debería a su interacción con el campo de Higgs.

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