Espectroscopía de Radiación Gamma con detectores de NaI(Tl)

Por interés pedagógico, comparto la siguiente presentación, que he defendido hoy en Sevilla, sobre el trabajo de la espectroscopía de radiación Gamma.

En concreto, realizamos el análisis espectroscópico de muestras de Cesio-137 y Cobalto-90. Explicaremos más detalles si algún lector se muestra interesado en los mismos.

Gamma1 by Alejandro Bertolet

Un poco de luz sobre la naturaleza de la radiación electromagnética

He visto que esta mañana a las 11:00 habrá una protesta de los vecinos de El Pinar-La Pita por la instalación de una antena de telefonía móvil. Consideran que su efecto es nocivo y que, además, se encuentra cerca de un colegio, con lo cual la alarma (el verdadero efecto nocivo) se dispara. Intentaré, desde mi formación como físico, arrojar un poco de luz sobre este asunto que tanta controversia levanta y sobre el que tanta desinformación circula por Internet.

En primer lugar, vamos a ver qué es eso de la radiación electromagnética. Éste será un proceso medianamente largo y expuesto para aquellas personas sin formación alguna en Física. Probablemente resulte algo tedioso, por lo que pido algo de paciencia. Acabaremos llegando al punto deseado.

Veamos qué es una onda, así en general. Se define como onda el transporte de energía sin que haya transporte de materia. Siempre con algunos ejemplos se entiende mejor esta definición que puede sonar un poco a chino. Pensemos en las olas del mar. Todo el mundo es capaz de ver cómo se propaga a lo largo del mar una ola. Pero, realmente, ¿qué es lo que se está moviendo? Si pensamos un poco, comprobaremos que las partículas de agua localizadas en un punto dado no se desplazan hacia la orilla, sino que suben y bajan conforme la ola las "atraviesa". Lo que se va propagando es la altura del agua, pero una molécula concreta de agua no se mueve hacia la orilla, de la misma manera que un barco no se ve arrastrado por una ola, simplemente "sube" con ella y luego "baja" con ella. Se trata, por tanto, de un transporte de energía (siempre que hay movimiento hay energía, cinética se llama en este caso), pero las moléculas de agua (materia) no se han trasladado con la energía, siguen en el mismo punto en el que se encontraban en un principio. Otros ejemplo de onda son la vibración de una cuerda, donde las partículas de la cuerda concreta, de nuevo, suben y bajan, pero no se mueven hacia la derecha o hacia la izquierda. Lo que se propaga es esa subida y bajada. También el sonido es una onda, en la que lo que se propaga son variaciones de presión del aire.

Volvamos al caso de las olas del mar. Si sacamos una foto en un instante concreto, veremos que cada cierta longitud aparece una nueva ola. A esta distancia entre dos olas consecutivas se le llama longitud de onda de la onda. Así mismo, si consideramos una sola molécula de agua localizada en un sitio concreto, ésta se irá moviendo arriba y abajo conforme las distintas olas van recorriendo su posición. La cantidad de veces que se mueve arriba y abajo en un segundo se denomina frecuencia y se mide en herzios (Hz). Es decir, una frecuencia de 5 Hz significa que esa onda produce que una molécula de agua "suba y baje" cinco veces por segundo. Por último, podemos considerar la velocidad de propagación de la onda: es decir, con qué velocidad se mueve una sola ola (qué espacio recorre por unidad de tiempo). La velocidad de propagación es una magnitud que depende del medio material en que las ondas se propagan. En nuestros ejemplos, el medio de propagación es el mar para las olas, la cuerda en el segundo caso y el aire para el sonido. Hay ciertos tipos de medios materiales llamados lineales (o no dispersivos). En ellos, la velocidad de propagación es simplemente la longitud de onda por la frecuencia. Estas magnitudes (longitud de onda, frecuencia y velocidad de propagación) serán importantes.

Ahora, ¿qué es la radiación electromagnética? Hemos visto varios tipos de ondas: las olas del mar son una onda, la vibración de una cuerda, otra, así como el sonido. Todas ellas tienen como características comunes que poseen longitud de onda (distancia entre dos crestas consecutivas), frecuencia (veces que vibra un solo punto por unidad de tiempo) y velocidad de propagación. La radiación electromagnética consiste en una onda, en la que lo que se propaga (las "olas" de esta onda) son un campo eléctrico y un campo magnético que, obviamente, van variando en el tiempo. Creo que, quien más, quien menos, tendrá una mínima noción de lo que significan estos campos. Como no es mi objetivo meterme más aún en esto, diré simplemente que el campo eléctrico es responsable, por ejemplo, de la corriente eléctrica, mientras que el campo magnético es responsable del fenómeno de los imanes, por ejemplo.

La distancia entre dos máximos de campo eléctrico (o campo magnético) se denomina, como hemos visto, longitud de onda. La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es muy conocida, la constante universal c (aproximadamente 300.000.000 m/s). Así, la frecuencia de las ondas electromagnéticas y su longitud de onda están relacionados por la constante c. Esto es, si la longitud de onda aumenta, la frecuencia disminuye, siempre relacionadas con la misma razón, la constante c. Distintos valores de la longitud de onda (consecuentemente de la frecuencia) nos dan distintas regiones de lo que se llama el espectro electromagnético. De menor a mayor frecuencia las regiones son: ondas de radio, microondas, infrarrojo, luz visible, ultravioleta, rayos X, rayos gamma. Todas estas ondas tienen la misma naturaleza: campos electromagnéticos vibrando, y se propagan a la misma velocidad, c. Lo que cambia en cada una de ellas es la velocidad con que estos campos vibran (frecuencia).

Vamos entrando ya en el quid de la cuestión: la energía. Hemos dicho ya que una onda es una propagación de energía sin que se propague materia. La energía, en general, es la capacidad de producir trabajo. ¿Y qué es el trabajo? El trabajo que se realiza al desplazar algo es la fuerza empleada por el desplazamiento producido. La unidad de la energía en el SI es el julio (un newton por metro). Si movemos un libro de 2 kg de peso unos 25 cm hacia arriba superando la fuerza de la gravedad (que en este caso será de unos 20 newtons), podemos calcular rápidamente que realizamos un trabajo de unos 5 julios. No obstante, hay una magnitud aún más importante que la energía para nuestros intereses. Ésta es la potencia. La potencia es la cantidad de energía que se propaga por unidad de tiempo. Algo así como la "velocidad de la energía". Obviamente, no es lo mismo mover el libro esos 25 cm en una hora que en un segundo. En el primer caso, el "esfuerzo" es mucho menor, porque desarrollamos toda esa energía en mucho más tiempo: necesitamos menos potencia. La unidad de la potencia es el watio (W), equivalente a un julio por segundo. Así, en el segundo caso, desarrollaremos una potencia de 5 W, mientras que en el primero, la potencia será mucho menor, de unos 0,083 W.

Cuando hablamos de una onda, la magnitud realmente relevante es la intensidad de la misma. Debemos tener en cuenta que, en el caso general, las ondas electromagnéticas se propagan en todas las direcciones (de modo esférico). Por tanto, no sólo nos interesa qué potencia desarrolla la onda, sino qué potencia corresponde a cada elemento de superficie, ya que toda la potencia desarrollada (energía por unidad de tiempo) se distribuirá por todo el frente de onda (el frente de onda es el equivalente a la cresta de la ola), que tendrá forma esférica. A la cantidad de potencia por unidad de superficie de esa esfera se le llama intensidad de la onda. Como la superficie de una espera decrece con el cuadrado del radio, es evidente que la intensidad de la onda decrecerá con el cuadrado de la distancia al foco de la onda. Esto quiere decir que si cuando me sitúo a un metro de un foco de luz recibo una intensidad I, cuando me sitúe a dos metros de distancia recibiré una intensidad I/4 (disminuye con el cuadrado de dos), así como cuando me sitúe a cuatro metros de distancia recibiré una intensidad I/16. Esto, insisto, se debe al hecho de que la potencia que surge del foco de la onda se distribuye por toda la superficie esférica, que se va haciendo mayor conforme se aleja del foco, por lo que va correspondiendo menos y menos intensidad a cada trozo de superficie. Bien, ya hemos visto el concepto de intensidad de una onda, que será una de las magnitudes realmente importantes para medir los efectos de la radiación electromagnética sobre el tejido biológico, pues el producto de la intensidad por la superficie que nosotros ocupamos nos dará la cantidad de potencia que absorberemos. Y el producto de la potencia por el tiempo durante el que estemos expuestos a esa radiación nos dará la cantidad de energía total que absorberemos.

Ahora, nos queda una pequeña incursión por la física cuántica para explicar bien el asunto. A principios del siglo XX, todo lo que hemos reseñado ya se tenía bastante claro. La luz era una onda electromagnética y se explicaban muchos fenómenos con esta teoría. Sin embargo, todavía había algunos que no se podían entender: por ejemplo, el efecto fotoeléctrico. Este fenómeno consiste en que cuando incide luz (u otra radiación electromagnética) sobre un metal, se produce en éste una corriente eléctrica que no es proporcional a la intensidad de la luz, sino a la frecuencia de la radiación. Esto no tenía sentido según lo visto hasta ahora, puesto que la corriente debe depender de la cantidad de electrones arrancados y eso debe tener que ver con la energía de la onda, que, como hemos visto, depende de la intensidad, no de la frecuencia. Einstein fue capaz de explicar este fenómeno diciendo que la luz también puede describirse como un "chorro" de partículas llamados fotones (con masa nula) cuya energía individual aumenta con la frecuencia de la onda. De este modo, la intensidad de una onda tendría que ver con el número de fotones que se transportan. Esto implica que un solo fotón (intensidad bajísima) de rayos gamma (la parte del espectro de mayor frecuencia y, por tanto, con fotones más energéticos) podría tener igual o más energía que muchos fotones de ondas de radio (la parte del espectro con menor frecuencia y, por tanto, con fotones menos energéticos). Así pues, para calcular la energía total que absorberemos debemos tener en cuenta tanto la frecuencia de la onda como su intensidad. Obviamente, a igualdad de frecuencias, más energía a mayor intensidad y, a igualdad de intensidades, más energía a mayor frecuencia.

Resulta, además, que a partir de cierta frecuencia, las energías que llegan a tener fotones individuales pueden ser realmente altas, hasta el punto de ionizar la materia, esto es, provocar daños en la estructura química de la materia que atraviesan esos fotones. Estas radiaciones se llaman ionizantes y corresponden a la parte del espectro ocupada por los rayos X y los rayos gamma. Esta radiación tiene efectos nocivos claros sobre el tejido biológico puesto que es capaz, por sí sola, de romper uniones químicas, de modo que si afecta a algún gen o contenido genético de importancia, puede desembocar en una alteración de una célula que acabe siendo cancerígena. No obstante, si pensamos un poco, comprenderemos que, conforme vamos avanzando en la estructura de la materia vamos teniendo cada vez más espacio vacío. Los compuestos químicos están formados por moléculas que se unen entre sí eléctricamente (no hay ninguna ligadura material o masiva, simplemente están atraídas por fuerzas eléctricas). Lo mismo ocurre con el interior de una molécula, donde los átomos se unen de la misma manera, y más aún en la estructura del átomo, formado por su núcleo (protones) y electrones. Entre el núcleo y los electrones sólo hay vacío. Una cantidad ingente de vacío en comparación con los tamaños del núcleo y los electrones. Para hacernos una idea, si el átomo fuese un campo de fútbol a escala y el núcleo se situase como la pelota en el círculo central, los electrones orbitarían por las gradas o incluso fuera del estadio. Un fotón tiene un tamaño de ese orden, por lo que es muy probable que atraviese una enorme cantidad de átomos sin colisionar con materia alguna. Es por ello que, en el caso de radiaciones ionizantes, no sólo es importante la energía de un fotón individual, sino su intensidad (cuantos más fotones, más probabilidad de que haya colisión), así como el tiempo de exposición (cuanto más tiempo estemos expuestos, más probabilidad de que haya colisión). Ya, por fin, tenemos todos los ingredientes para saber de qué estamos hablando.

Los teléfonos móviles (y obviamente, las antenas) utilizan radiación microondas. Este tipo de radiación tiene menor frecuencia que la luz visible, por ejemplo, lo cual significa que un solo fotón posee menos energía que un fotón luminoso. Además, obviamente, esta radiación no es ionizante: es decir, no es capaz de romper los enlaces químicos o atómicos que se producen en la naturaleza. Esto, de por sí, ya nos da una idea bastante distinta de lo que los medios de comunicación suelen transmitir, hablando de radiaciones electromagnéticas "artificiales" refiriéndose, por lo general, a las generadas en comunicaciones móviles, sin caer en la cuenta ni hacer ninguna referencia a que estamos expuestos a mucha más radiación electromagnética luminosa (y llevamos estándolo desde que existimos como especie). No obstante, como hemos visto, no sólo es importante la energía de un solo fotón, sino la intensidad de la radiación que recibimos. Como la radiación no es ionizante, los efectos de la potencia que recibamos no romperán enlaces, sino que se transformarán en calor, aumento de la temperatura. Digamos aquí que la temperatura no es más que una medida del movimiento interno (vibración alrededor de una posición de equilibrio) de las partículas de cualquier cuerpo. La potencia recibida impacta sobre las moléculas de nuestro cuerpo y las hace vibrar (sin llegar a romper sus enlaces en estos casos), esto es, las hace calentarse. Obviamente, una exposición extremadamente alta tendrá efectos nocivos sobre la salud (basta con mirar lo que ocurre en hornos microondas para cerciorarse de ello). Ahora bien, ¿qué es una exposición extremadamente alta?

Vayamos al caso de las antenas de telefonía móvil. Como ya sabemos, la intensidad de la onda que recibimos decrece con la distancia al cuadrado. A una distancia de unos 20 metros de una antena y, sin que medien obstáculos que atenúen la onda (esto es, le hagan perder energía), la intensidad es inferior a 10 microwatios (0,00001 watios) por centímetro cuadrado. ¿Esto es mucho o poco? Bueno, considerando que la radiación que nos llega del Sol es de una intensidad de 100.000 microwatios/cm^2, no parece demasiado. Cuando, además, el Sol emite no solo microondas, sino radiación en el espectro completo, incluyendo radiación ionizante. La Recomendación del Consejo de Europa (muy conservadora, como es normal) es evitar exposiciones superiores a 450 microwatios/cm^2 y se considera totalmente inocua desde el punto de vista térmico exposiciones a intensidades de unos 250 microwatios/cm^2. En el interior de nuestros hogares, con la atenuación correspondiente, la intensidad apenas llega al microwatio/cm^2. No parece mucho, la verdad.

Debe pensarse, por si fuera poco, que todos los objetos que poseen temperatura superior al cero absoluto (-273º C) irradian al exterior radiación infrarroja (con más frecuencia y, por tanto, fotones más energéticos que la microondas). Estamos rodeados (y, de nuevo, llevamos rodeados de ellos desde el principio de nuestra especie), pues, de objetos que emiten radiación electromagnética más energética que la utilizada por los microondas. La intensidad de estas radiaciones a temperatura ambiente ronda los 20.000 microwatios/cm^2. Recordemos, una vez más, que las antenas, en casa, nos irradian alrededor de un microwatio por centímetro cuadrado. Notemos, además, que a mayor número de antenas telefónicas, menor será la potencia que irradie cada una de ellas (puesto que debe llegar a lugares menos lejanos). Lejos de lo que se piensa, un mayor número de antenas telefónicas reduce la intensidad de las ondas y, por tanto, los niveles de exposición a las mismas.

A tenor de lo visto hasta ahora, el verdadero problema no está en las ondas electromagnéticas, sino en la alarma. Es la alarma, causada por la pura y dura desinformación, la que produce los efectos psicosomáticos atribuidos a la radiación, tan desconocida, tan ignorada por completo. Como además, cabe esperar por la enorme alarma social, se han llevado a cabo extensísimos estudios sobre el asunto, sin que se haya obtenido resultado alguno que confirme la nocividad de estas ondas que no haya acabado siendo rechazado por sus contradicciones, su falta de rigurosidad o la imposibilidad de reproducir las condiciones en que fueron realizados (estudios sesgados).

Debemos, pues, ante las evidencias científicas (o más bien, ante la falta de ellas que demuestren lo contrario), vivir seguros con la tecnología que utilizamos y que, dicho sea de paso, si fuera tan nociva como se pretende hacer ver, ya habría producido efectos más que notables en la población. Recuerden, ante la alarma, las afirmaciones pseudocientíficas y el pataleo, documéntense, exijan pruebas y no pierdan la calma.

BIBLIOGRAFÍA

"Teléfonos móviles y salud (Informe Stewart)". www.nrpb.org/press/response_statements/2004/response_statement_2_04.htm

"Antenas de telefonía móvil y salud humana (Informe Moulder)".

www.mcw.edu/gcrc/cop/telefonos-moviles-salud/toc.html

"Campos electromagnéticos y salud pública. Los teléfonos móviles y sus estaciones base". Proyecto EMF (Organización Mundial de la Salud).www.who.int/peh-ef.

"Restrictions on human exposure to static and time varying electromagnetic fields and radiation".National Radiological Protection Board.www.nrpb.org.uk/.

"Plan de comunicación de la telefonía móvil". J Romeu y A Elías. Universidad Politécnica de Cataluña, 30 junio 2000.

"Esposición humana a campos electromagnéticos". A Martínez y A Díaz. Universidad Politécnica de Cartagena, octubre 1999.

"Teléfonos móviles y salud". Carlos M Requejo. El Ecologista, invierno 2000/2001.

"El "peligro" de las antenas de telefonía móvil". Juan Andrés Gualda Gil. http://www.monografias.com/trabajos16/antenas-telefonia/antenas-telefonia.shtml

The Goddamn Particle (y III)

Para concluir, al margen de qué es el bosón de Higgs, podemos preguntarnos cómo se ha detectado, por qué se ha tardado tanto y ha costado tanto trabajo y cómo se aceptan los resultados en la comunidad científica.

Arturo Quirantes (@elprofedefisica), profesor de la Universidad de Granada, lo explica estupendamente en su blog. Os lo enlazo:

http://fisicadepelicula.blogspot.com.es/2012/07/el-boson-de-higgs-y-las-cinco-sigmas.html

The Goddamn Particle (II)

Quedamos en el post anterior en que la aparición del bosón de Higgs suponía la confirmación experimental de una importante predicción del Modelo de Partículas Estándar. Ahora bien, ¿en qué consiste este modelo? Antes de llegar a tal nivel de complejidad debemos asentarnos en algunas nociones previas.

En el estudio de la Naturaleza, podemos preguntarnos por la estructura de todo lo que existe (en general, radiación y materia). Por otra parte, también cabe preguntarse cómo se relacionan entre sí tales estructuras. Hoy en día, sabemos que la materia puede descomponerse en moléculas, que a su vez se hallan formadas por átomos, llamados así en virtud a las ideas del filósofo griego Demócrito, quien ya pensaba en que las cosas se formaban a partir de pequeñas partículas indivisibles (literalmente, átomos). No obstante, resultó que los átomos también tenían estructura interna: están formados por un núcleo y electrones orbitando alrededor de ellos. Cabe destacar, a modo de inciso, que, a estas escalas, las teorías clásicas que tan bien funcionan en el macroscópico mundo cotidiano fallan estrepitosamente. Estamos, pues, en el mundo cuántico.

Decíamos que los átomos también podían dividirse, contradiciendo así a su propio nombre. Dentro del núcleo, encontramos los familiares protones y neutrones, que, por si fuera poco, también tienen estructura interna. Es decir, podemos hallar partículas que forman tales entidades. Éstas son conocidas como quarks. Ahora bien, ¿todo lo que existe en la realidad es materia estable, es decir, electrones y quarks que van formando protones, neutrones, núcleos, átomos y moléculas? Obviamente, no. Por ejemplo, la luz y, más ampliamente la radiación electromagnética, caracterizada clásicamente como una perturbación ondulatoria del medio en el que se propaga, no está formada por átomos de ninguna clase, sino por partículas conocidas como fotones. Todas aquellas partículas indivisibles, es decir, sin estructura interna, son denominadas partículas elementales. Hasta ahora podemos clasificar las partículas elementales que forman la materia en dos clases: leptones y quarks. Ambos pueden agruparse bajo la categoría de fermiones.

Por otra parte, ¿de qué manera es posible que la materia se mantenga unida? Es decir, ¿cómo pueden interaccionar partículas entre sí? En la Naturaleza existen cuatro tipos de interacciones diferentes. La gravitatoria está relacionada con una propiedad de la materia denominada masa, que se relaciona con la capacidad de atraer a otros cuerpos que también tengan masa. Es la responsable del movimiento de la Tierra alrededor del Sol o de que puedas estar sentado leyendo este artículo. Cabe destacar que Albert Einstein demostró la equivalencia entre la masa y energía de cualquier partícula mediante la archiconocida relación $E=mc^{2}$.

Tremendamente familiar es también la interacción electromagnética, relacionada con el concepto análogo de carga eléctrica, que dota a la materia de la capacidad de atraer o repeler a otros cuerpos cargados (según estén cargados con igual u opuesto signo). Gracias a la interacción electromagnética el núcleo atómico se mantiene estable, pues los electrones se mantienen unidos al núcleo al estar cargados opuestamente.

Los otros dos tipos de interacciones únicamente se dan en el seno del núcleo atómico. El núcleo, como vimos, está constituido por protones y neutrones. Los primeros tienen carga positiva y los últimos carecen de carga eléctrica. ¿Cómo es posible, pues, que se mantengan unidos en un espacio tan increíblemente reducido como el del núcleo atómico (del orden de $10^{-15} \text{m}$) una cierta cantidad de protones, cuya repulsión electromagnética debe ser enorme? Para explicarlo es necesario introducir una tercera interacción: la fuerte, atractiva entre nucleones (es decir, protones y neutrones) y responsable de la cohesión del mismo. Por último, es posible observar neutrones libres (es decir, fuera de un núcleo). Los neutrones libres no son estables, se desintegran en otros tipos de partículas. En concreto, el neutrón libre decae en protón, electrón y neutrino. El neutrino es la partícula responsable de este proceso de desintegración del neutrón y se postuló su existencia (confirmándose experimentalmente posteriormente) debido a que la masa del neutrón libre no se correspondía con la suma de masas del protón y el electrón, debiendo existir una partícula más que aportase el defecto de masa necesario. Esta interacción se conoce como fuerza débil.

El Modelo Estándar implica que cada una de estas interacciones, realmente se lleva a cabo mediante el intercambio de una partícula elemental, llamada bosón. Así pues, hemos encontrado dos tipos de partículas elementales: los fermiones, que forman la materia y divididos en dos clases: leptones (partículas que no 'sienten' la interacción fuerte) y quarks (partículas que 'sienten' todas las interacciones) y los bosones, que posibilitan las interacciones. Ejemplos de bosones son los fotones (posibilitan la interacción electromagnética), los gluones (portador de la interacción fuerte) o los bosones W y Z (portadores de la interacción débil). Por tanto, tenemos partículas llamadas fermiones, que constituyen la materia, y que intercambian otro tipo de partículas llamadas bosones para interaccionar entre sí (radiación).

Pues bien, el Modelo Estándar, supone que la interacción débil y la electromagnética son, en el fondo, las dos caras de una misma interacción (es decir, el procedimiento de intercambio de bosones se comportan prácticamente igual a energías muy altas). Esta suposición, de la cual uno de sus autores fue el constantemente nombrado Peter Higgs, funciona asombrosamente bien, como decimos, a energías muy altas, pero se encuentra con un problema a energías bajas.

Los fotones no tienen masa (viajan a la velocidad de la luz, un límite máximo de la Naturaleza), mientras que los bosones W y Z tienen una masa relativamente alta. Esto explica por qué la interacción electromagnética es mucho más intensa que la interacción débil. Además, según lo anterior, los bosones W y Z a altas energías (esto es, moviéndose con velocidades cercanas a las de la luz) se comportan prácticamente como si no tuvieran masa. Las preguntas que surgen entonces es: ¿por qué unos bosones tienen más masa que otros? Y más generalmente, ¿por qué una partícula tiene una determinada masa? ¿Cuál es el origen de la misma? ¿Y por qué a energías altas parece que las partículas tengan menos masa?

Para solventar este problema, los físicos teóricos propusieron la existencia de un campo energético, denominado campo de Higgs, que cubriera todo el espacio y que interactuase con los distintos bosones (y más en general, con las partículas subatómicas), otorgándoles su masa característica. Del mismo modo que el campo electromagnético está construído por una ingente cantidad de bosones que posibilitan la interacción (en este caso, fotones), este campo de Higgs debería estar constituído elementalmente por los bosones de Higgs. De este modo, al atravesar un fotón el campo de Higgs, apenas interaccionaría con los bosones de Higgs, de modo que "no se frenaría" y mantendría su velocidad máxima. Es decir, no tendría masa. Igualmente, los bosones W y Z que atravesasen el campo de Higgs a baja velocidad se verían frenados por los bosones de Higgs, dotándoles de una cierta masa. Sin embargo, a altas energías (velocidades), los bosones W y Z sufrirían mucho menos la interacción con el campo de Higgs, lo que se traduciría en un comportamiento acorde con una masa menor. La partícula elemental más pesada, el quark top, apenas podría avanzar en este campo de Higgs ya que su interacción con los bosones sería de enorme magnitud, obteniendo, entonces una masa considerable. Como vemos, el mecanismo de interacción con el campo de Higgs dota a cada partícula de la propiedad elemental llamada masa.

El bosón de Higgs es la única partícula de todas las contempladas en el Modelo Estándar que aún no había sido detectada experimentalmente. Su hallazgo, de confirmarse, al margen de confirmar el origen de la masa de las demás partículas, supone que la teoría actual que explica el Universo, aunque incompleta (pues la interacción gravitatoria no se explica mediante el Modelo Estándar), es probablemente correcta. No obstante, debe reinar la cautela ante el posible descubrimiento, pues desde el CERN se asegura que se ha descubierto un nuevo bosón tipo Higgs, pero no tiene por qué ser el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar.

The Goddamn Particle (I)

Hoy, 4 de julio de 2012, parece ser un día histórico para la Física. Hemos desayunado con la noticia de que el bosón de Higgs, la -mal- llamada "partícula de Dios" (The God Particle), al fin podría haber sido puesta en evidencia.

'The God Particle: if the Universe is the answer, what is the question?' es el título de un libro divulgativo acerca del bosón de Higgs del físico norteamericano Leon Max Lederman, Premio Nobel de Física en 1988 por su trabajo con los neutrinos. La idea inicial de Lederman era titular su obra como "The Goddamn Particle: if...", lo que podríamos traducir como "la maldita partícula", en alusión a lo escurridiza que resultaba cuando se trataba de hallarla. No obstante, su editor le convenció para modificar el sobrenombre del engendro por el de Partícula de Dios, lo cual ha servido para que más de un religioso anticiencia se aprovechase para afirmar que el hallazgo de tal entidad serviría para demostrar la existencia de Dios, en una simple y pueril asociación de términos. Nada más lejos de la realidad.

¿Qué es el bosón de Higgs? ¿Qué se consigue con su hallazgo? ¿En qué va a cambiar este descubrimiento la Física y, más en concreto, la vida cotidiana de la gente? Durante los próximos días asistiremos a un sinfín de periodistas o bloggeros empeñados en explicar lo más claramente posible qué supone el anuncio del CERN y qué es esa puñetera partícula. Yo, como bloggero recién estrenado intentaré aportar mi propio -y escasamente valioso- intento.

La gran mayoría del público profano en Ciencia y más concretamente en Física, desconoce completamente cómo se trabaja en este campo. Es más, la confusión de términos y conceptos general es bastante amplia. La Física, al contrario que las Matemáticas, es una ciencia experimental, cuya forma de trabajar se basa en el principio de inducción. Un observador, en Física, contempla el resultado final de cómo es la realidad y a partir de éste construye teorías para intentar explicarla. Por ejemplo, Sir Isaac Newton construyó sus leyes para explicar la dinámica de los objetos a partir de la observación experimental: observó que una manzana siempre caía perpendicularmente al suelo e intentó hallar una teoría que pudiese explicar ese fenómeno. Ahora bien, si formulamos una teoría que diga que la manzana es una clase de objeto especial y sólo ella caería perpendicularmente, obviamente tal teoría debería ser desechada, pues la observación experimental de otros fenómenos (caída de otro tipo de objetos, que también es perpendicular al suelo) la contradice. Así pues, con este burdo ejemplo pretendemos ilustrar la forma de trabajar: la observación experimental de algún fenómeno induce la formulación de una teoría, que a su vez debe ser puesta a prueba en cualquier otro fenómeno que pueda observarse.

Nótese que el proceso implica que los modelos para explicar la realidad en Física nunca dejan de ser teorías puesto que, a priori, el número de fenómenos a observar en la realidad podría ser infinito y comprobar que una teoría satisface todos ellos sería literalmente imposible. Es por ello que la ciencia, en contraposición a la religión y sus dogmas, constantemente puede ser modificada, en tanto en cuanto se observe experimentalmente algún fenómeno que contradiga el paradigma actual, entendiendo como paradigma el conjunto de teorías y modelos que, hasta el momento, han proporcionado predicciones correctas (esto es, no invalidadas por alguna nueva observación) a los problemas científicos, es decir, a los planteamientos de posibles sucesos. Dicho dentro de nuestro ejemplo, si yo tengo interés en saber qué ocurrirá si dejo caer peras, limones o cualquier clase de objetos en lugar de manzanas, y la teoría que he formulado predice los resultados que se obtienen en la realidad, entonces mi teoría explica satisfactoriamente la caída de cualquier clase de objeto. Mi teoría será válida salvo que encuentre algún objeto que caiga de manera distinta a cómo predice la misma. Tratamos, pues, de encontrar los principios básicos (axiomas) por los que funciona la Naturaleza partiendo de la observación experimental (resultados). Inducción.

Nótese también que, como decíamos, la manera de trabajar en Matemáticas es diametralmente opuesta. En Matemáticas, que es una ciencia pura, se definen una serie de axiomas que rigen el comportamiento de los elementos a estudiar. A partir de los axiomas se extraen una serie de consecuencias que desembocan en la obtención de resultados. Deducción. Las Matemáticas, pues, son ciencias puras, abstractas, exactas, no necesariamente relacionadas con la realidad, sino con la propia definición de sus axiomas. Ahora bien, puesto que la realidad es tremendamente complicada, con una cantidad ingente de factores que intervienen en cada fenómeno a estudiar, normalmente la Física se vale de modelos matemáticos (esto es, ideales, perfeccionados, no estrictamente reales) que se aproximen a los resultados reales y permitan trabajar con ellos de modo asequible.

Los tres párrafos anteriores, aun sin tener demasiado que ver con el bosón de Higgs, contienen conceptos que todo estudiante de algún curso de Física o Matemáticas -e incluso toda persona con un mínimo de cultura general- debería tener meridianamente claros. ¿Por qué se buscaba la existencia del bosón de Higgs? En vista de lo anterior podemos hacernos rápidamente una idea. Los fenómenos observados previamente con partículas subatómicas condujeron a la elaboración y perfeccionamiento de una teoría que los explicase satisfactoriamente. Dicha teoría se conoce como Modelo de Partículas Estándar y en la misma se postula la existencia de objetos conocidos como campo de Higgs y bosón de Higgs. Es decir, se admite la existencia de los mismos aún sin haberla probado porque tal admisión permite explicar muchos fenómenos que de otra manera sería tremendamente complicado explicar. Así pues, la comprobación de la existencia de "The God Particle" es el espaldarazo definitivo al Modelo de Partículas Estándar, pues no sólo no se ha hallado fenómeno que lo contradiga, sino que se ha encontrado experimentalmente la fundamental predicción teórica del mismo. Casi nada.

Para que esto no quede excesivamente largo, cortamos aquí la primera parte del asunto, dejando pendiente la explicación de los conceptos físicos en sí para una segunda parte: ¿qué es el Modelo de Partículas Estándar? ¿qué son el campo y el bosón de Higgs?

Primera entrada

Inauguramos este blog. En él hablaremos de Física en la medida de lo posible y de los -muy limitados- conocimientos del autor, con el objetivo de explicar conceptos relativamente complejos sin la necesaria formación de base científica. También publicaremos diverso material para el estudio de la Física y sus herramientas matemáticas, siempre que fuera preciso.

Igualmente, en este blog se incluirán opiniones personales, divagaciones o estupideces varias que el autor se viera impulsado a publicar por su incontinente idiotez.

En este blog se utilizarán ecuaciones y se pretenderá conseguir un grado decente de entendimiento de aquellas que se expongan. Pero por tratarse de la primera entrada, y por estar ya situadas en la imagen de la columna lateral derecha, nos limitaremos a cerrar esta disertación con las majestuosas ecuaciones de Maxwell, capaces de sustentar, por sí solas, el electromagnetismo clásico.

$$ \nabla\cdot \overrightarrow{D} = \rho $$
$$ \nabla\cdot\overrightarrow{B}  = 0 $$
$$ \nabla\times\overrightarrow{E}  = - \frac{\partial\overrightarrow{B}}{\partial t}$$
$$ \nabla\times\overrightarrow{H}  = I+\frac{\partial\overrightarrow{D}}{\partial t}$$