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.

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