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Entradas etiquetadas como ‘bosón de Higgs’

Del globo aerostático al LHC: a la caza de las partículas elementales

Por Teresa Rodrigo (UC-CSIC)*

La física de partículas se centra en el estudio de lo muy pequeño. Pero resulta que cuanto más pequeños son los objetos que se quieren estudiar, más grandes y complejos son los instrumentos que debemos utilizar para verlos. Es el caso de los actuales aceleradores y detectores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), situado en el laboratorio europeo de Ginebra, el CERN. Pero antes de que existieran estos sofisticados artilugios, la comunidad científica recurrió a otro tipo de herramientas. De hecho, los globos aerostáticos fueron los primeros instrumentos científicos utilizados para la detección de partículas de altas energías.

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Globo aerostático de aire caliente. / Kropsoq.

La invención del globo aerostático no solo sirvió como una atracción y un medio de transporte, sino que posibilitó el inicio de toda una nueva rama del conocimiento científico.

En 1912, cien años después de las primeras experiencias en globo, Victor Hess se subió a uno de estos aparatos provisto de primitivos instrumentos de medida de radiación. Hess se elevó hasta una altitud de 5.300 metros y encontró que la tasa de radiación observada se multiplicaba con la altura. Concluyó que “la mejor explicación al resultado de estas observaciones es la suposición de que una radiación de mucha energía entra en nuestra atmósfera desde arriba”. Acababa de descubrir la existencia de los rayos cósmicos, hallazgo por el que recibiría el Premio Nobel en 1936.

Estas partículas de alta energía, principalmente protones, colisionan con los átomos de la atmósfera y producen toda una cascada de nuevas partículas capaces de atravesar la superficie terrestre.

El descubrimiento de los rayos cósmicos abrió una nueva ventana al estudio de la materia y permitió, entre otras cosas, el hallazgo en 1932 de la primera partícula de antimateria: el positrón, seguida de muchas más partículas desconocidas hasta entonces.

Hasta la llegada de los aceleradores de partículas en los años 50 del siglo XX, los rayos cósmicos constituyeron la mejor herramienta para el estudio de la materia y sus interacciones. Los aceleradores nos permiten acelerar y colisionar partículas y así reproducir en el laboratorio de forma controlada los fenómenos que ocurren en la naturaleza. Además, podemos recrear las condiciones en que se encontraba el universo en sus primeros instantes tras el Big Bang y estudiar su evolución hasta nuestros días.

En los últimos 60 años se ha conseguido elaborar una teoría cuántico-relativista, perfectamente confirmada por los experimentos, que explica toda la materia visible en el universo basándose en la existencia de doce partículas y sus correspondientes antipartículas elementales, conocidas como quarks y leptones. Por cierto, la materia visible solo constituye el 5% de la energía total del universo, el resto se compone de lo que llamamos materia y energía oscuras, que hoy es objeto clave de estudio.

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Interior del Gran Colisionador de Hadrones del CERN, en Ginebra. / CERN.

También sabemos cómo estas partículas elementales se relacionan entre sí, es decir, cuáles son las fuerzas que actúan en la naturaleza. Además de la fuerza gravitatoria, existen la fuerza electromagnética, la fuerte y la débil. Con ellas podemos explicar todos los fenómenos observados y todas ellas, salvo la gravedad hasta el momento, pueden explicarse de una forma común, basada en el intercambio de otro tipo de partículas que conocemos como bosones. Un tipo muy especial de bosón es el bosón de Higgs, descubierto en el LHC en 2012. Es el responsable de que la partículas adquieran masa y, por tanto, de que el universo sea tal y como hoy lo vemos.

Las preguntas que nos planteamos las científicas y científicos y que parecen en un principio triviales, como por ejemplo “¿de qué está hecha la materia?”, nos permiten no solo avanzar en el conocimiento más abstracto, sino también desarrollar tecnología punta, que a su vez repercute de manera directa en la mejora de las condiciones de vida cotidianas. Por ejemplo, los aceleradores de partículas se han convertido en un instrumento básico para el diagnóstico y tratamiento médico o la web (www), que fue desarrollada inicialmente para compartir información entre la comunidad científica, y actualmente es un instrumento fundamental de la era de la información.

 

* Teresa Rodrigo es catedrática de Física de la Universidad de Cantabria, miembro del comité científico del CERN y actualmente directora del Instituto de Física de Cantabria (UC-CSIC). Además, es coautora del libro El bosón de Higgs de la colección del CSIC y Catarata ¿Qué sabemos de?

El texto es un extracto de la participación de Rodrigo en el programa Ciencia y Arte en el Museo del Prado, para el programa ‘La Aventura del Saber’ de TVE2, que realizan en colaboración la FECYT y el Museo del Prado. El vídeo se puede ver aquí.

Los aceleradores de partículas se meten en tu cocina

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La Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) ubicado en Grenoble, Francia, es un instituto de alto nivel dedicado a la investigación científica de primera línea. / ESRF.

Por Mar Gulis (CSIC)

Reconocer un verdadero jamón ‘pata negra’, eliminar esa fea capa blanquecina que se forma a veces sobre las tabletas de chocolate o detectar el origen y la edad de un vino. Por sorprendente que pueda resultar, los aceleradores de partículas, creados en el ámbito de la física para estudiar la estructura elemental de la materia, también pueden contribuir a mejorar la calidad de los productos que llegan a nuestra mesa.

A estas alturas, casi todo el mundo ha oído hablar del LHC, el acelerador de partículas que ha servido para encontrar pruebas de la existencia del famoso bosón de Higgs. Como muchos otros aceleradores, el LHC es un dispositivo capaz de aumentar la velocidad de las partículas y hacerlas chocar con tanta fuerza como para que ‘estallen’ en mil pedazos elementales. Gracias a esta operación, es posible no solo estudiar la estructura fundamental de las partículas sino también descubrir otras nuevas.

Un tipo de acelerador de partículas muy común es el sincrotrón, en el cual las partículas se mantienen circulando a gran velocidad mediante campos electromagnéticos en una órbita cerrada. Los sincrotrones pueden usarse para acelerar y colisionar partículas, pero también para mantener circulando indefinidamente y a una energía fija un haz de partículas de un solo tipo, de forma que se use como fuente de luz para estudiar materiales. Gracias a ello, la radiación de un sincrotrón puede aportar una información excepcional sobre las características estructurales de un gran número de materiales, desde la escala atómica y molecular en adelante. Y es precisamente de esto de lo que se aprovechan las ciencias de la alimentación.

Un jamón en el sincrotrón

Son varios los ejemplos de alimentos que han pasado por los sincrotrones. Uno de ellos es el jamón ibérico. La razón es que cada vez resulta más difícil comprobar que este alimento reúne las características que lo definen como un jamón ibérico de bellota: una curación de dos o más años y proceder de un cerdo criado fuera del establo y alimentado con bellotas.

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Cada vez resulta más difícil comprobar que este alimento reúne las características que lo definen como un jamón ibérico de bellota.

Hasta ahora se han utilizado diferentes biomarcadores; como la vitamina E para saber si un cerdo se ha criado en un establo o no, o la relación de ácidos grasos para descifrar si el animal ha comido bellotas. Pero estos métodos se han vuelto obsoletos, ya que se pueden conseguir niveles similares de esos marcadores utilizando determinados piensos.

Por este motivo en la actualidad se investigan nuevos mecanismos que permitan determinar con certeza la calidad del jamón. Y para ello se ha recurrido a la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón, un centro de investigación situado en Grenoble (Francia) y en el que la participación española está gestionada por el CSIC.

En concreto, los investigadores bombardearon con rayos X del sincrotrón 20 muestras de jamón de diferentes años y orígenes, tanto de cerdos criados en establo como fuera de él, para obtener información sobre el cambio en algunos de sus compuestos. Así determinaron que el hierro y el zinc presentes en las proteínas del jamón son indicativos del proceso de curación y permiten identificar claramente su origen, además de ser responsables de la evolución de la coloración del jamón.

A través de los resultados se detectaron también unos diez metales distintos en las muestras estudiadas que podrían convertirse igualmente en buenos biomarcadores del producto.

Chocolate y vino de calidad

En la pastilla de chocolate de la izquierda puede verse el fenónmeno del 'fat bloom'. / Marcpablo8 (CC-BY-SA-3.0), vía Wikimedia Commons,

En la pastilla de chocolate de la izquierda puede verse el fenómeno del ‘fat bloom’. / Marcpablo8 (CC-BY-SA-3.0), vía Wikimedia Commons.

También el chocolate y el vino han pasado por un sincrotrón. En el primer caso, el objetivo ha sido estudiar el proceso por el cual se forma en la superficie de las tabletas de chocolate una capa blanquecina (denominada fat bloom) cuando se producen cambios de temperatura.

Se sabe desde hace tiempo que este problema estético –la calidad nutricional del producto no se ve alterada– es debido al afloramiento o cristalización de la manteca de cacao, pero los rayos X del Acelerador Circular Tándem de Positrones y Electrones, ubicado en Hamburgo, han permitido obtener por primera vez imágenes a escala nanométrica de cómo las grasas migran a la superficie. Con ello se espera comprender mejor el proceso y buscar formas para evitarlo.

Por lo que respecta al vino, el Sincrotrón Australiano, que se encuentra en Clayton (Melbourne), ha analizado el efecto de los taninos de la uva para conocer su efecto sobre el sabor.

De momento, el uso de los sincrotrones ha dado lugar a resultados preliminares, pero no es de extrañar que en el futuro la garantía de calidad de muchos alimentos se base en lo aprendido gracias a estos aceleradores. La física de partículas ha llegado a la mesa.

El bosón de Higgs y la metáfora del mar


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JaimeJulve70Por Jaime Julve y Enrique J. de la Rosa (CSIC)*

No siempre es fácil entender, ni explicar, las características de las partículas elementales que se estudian en laboratorios como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, que opera en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en Ginebra. No tenemos experiencia directa sobre ellas en nuestro día a día, aunque constituyan la estructura básica de la materia y del universo. Por ello se acude a símiles, con menor o mayor acierto.

LHC

El Gran Colisionador de Hadrones en el CERN /Morton Lin

En física cuántica, como en cualquier otro campo de la ciencia, la herramienta de trabajo es el método científico. Este método establece que, una vez observada la naturaleza, se planteen hipótesis de trabajo. Dichas hipótesis, según se validan por métodos matemáticos o experimentales, van conformando una teoría (en el caso que vamos a tratar,  la Teoría Cuántica de Campos y, en concreto, el Modelo Estándar de las Partículas Elementales). Y, de nuevo, se establecen nuevas hipótesis o previsiones cualitativas y cuantitativas que deben volver a ser validadas.

El bosón de Higgs era una previsión del Modelo Estándar de las Partículas Elementales hecha en 1964 y que llevó casi 50 años validar. El primer símil, o ejemplo basado en la experiencia que todos tenemos, tiene que ver con el experimento realizado para su validación. Si cogemos dos objetos cualesquiera y los hacemos chocar con suficiente velocidad, se romperán en sus piezas constituyentes, si las tienen, como es el caso de los hadrones (los protones, por ejemplo). Este tipo de choques, llevados al límite, son los experimentos del CERN: descomponer la materia hasta llegar a aquellas partículas que ya no se pueden romper en nada. Esas son las partículas elementales constituyentes de la materia. Paradójicamente, si hacemos colisionar partículas, incluso elementales (los electrones, por ejemplo), por conversión de su energía cinética en masa (la famosa ecuación de Einstein), se crean multitud de partículas elementales y no elementales. La tecnología del colisionador de hadrones del CERN ha sido esencial para validar el bosón de Higgs, creándolo en estas colisiones.

El segundo símil tiene que ver con lo que representa el bosón de Higgs. En la Teoría Cuántica de Campos, las diferentes partículas elementales son excitaciones del correspondiente campo cuántico que, en reposo (no excitado), estaría vacío de partículas y energía. Para dotar de masa (y energía) a las partículas hay que recurrir al campo de Higgs y a un artificio teórico que dota a su estado no excitado, vacío de partículas de Higgs, de una energía que permea todo el espacio y confiere masa al resto de partículas. Así, los bosones de Higgs, ahora detectados, serían las excitaciones del campo de Higgs.

Interacción de Higgs

Una imagen generada por ordenador de la interacción de Higgs. Lucas Taylor / CERN

El mecanismo por el que las demás partículas adquieren masa se visualiza a menudo con la imagen de una miel que llena el espacio, a la que se pegan mucho algunas de las partículas, haciéndolas ‘pesadas’, mientras otras se pegan poco (electrones) o muy poco (neutrinos), o nada en absoluto (fotón y gluones) las de masa nula. El ejemplo de la miel, como otros, no es del todo satisfactorio y proponemos aquí otro mejor. “Pegarse a la miel” alude al concepto de viscosidad, una resistencia al movimiento del móvil inmerso proporcional a la velocidad (si no empujamos siempre, el móvil se frena y para), mientras que la masa es sinónimo de resistencia a la aceleración (si no empujamos, sigue con velocidad constante).

Un ejemplo algo más fiel sería el siguiente. Imaginemos el campo de Higgs como un océano de agua y las partículas como barcos ligerísimos (idealmente de tara nula) y casco que corta el agua sin resistencia (nada de miel viscosa), que pueden cargar más o menos agua de lastre. Uno que no cargue nada permanecerá con masa nula, o sea que se puede aceler sin esfuerzo. Uno que embarque algunos kilos tendrá esa masa y costará algo acelerarlo. Un tanker que embarca cientos de miles de toneladas… ya podemos imaginar. Esta es la masa adquirida mediante el mecanismo. La cuestión de cuánto vale se traslada a la de cuánta agua embarca: en el modelo este parámetro lo da la “constante de acoplamiento” entre el campo de la partícula y el campo de Higgs, un parámetro por ahora empírico, dictado por la naturaleza. Es una modelización más que una explicación, pero que resuelve problemas teóricos.

 

* Jaime Julve es vicedirector del Instituto de Física Fundamental del CSIC, miembro del comité académico de las Olimpiadas de Física desde su comienzo en España y activo divulgador científico con numerosas conferencias. Enrique J. de la Rosa es investigador del CSIC en el Centro de Investigaciones Biológicas. Este texto ha sido inspirado por una charla impartida por Julve en el marco de ‘Ciencia con chocolate’.

Física cuántica en Navidad

Por Ángel S. Sanz (CSIC)*

Ciencia en Navidad 2014

‘Ciencia en Navidad’ es un proyecto del CSIC inspirado en las ‘Christmas Lectures’ y desarrollado con el apoyo de la FECYT.

Últimamente, y cada vez más, los medios de comunicación hablan de física (o mecánica) cuántica. Y cuando se escucha este término, no podemos por menos que echarnos las manos a la cabeza pensando que se trata de una teoría altamente compleja e ininteligible, sólo apta para unos pocos, capaces de entender su lenguaje matemático y los misterios que encierra.

Hace un par de años, a raíz del descubrimiento del bosón de Higgs (pieza clave en el puzle de partículas elementales que es el modelo estándar), la física cuántica saltó a primera línea y, desde entonces, las conferencias en torno a esta temática comenzaron a popularizarse. La física cuántica está de moda. Pero, ¿qué sabemos en realidad de esta teoría? ¿Es tan compleja e ininteligible como se nos presenta o, por el contrario, nos resulta simplemente absurda? ¿Cómo es posible esta situación de incertidumbre si una gran parte del producto interior bruto de los países industrializados está directa o indirectamente basado en la física cuántica?

El bosón de Higgs ha sido la última partícula que se ha descubierto, pero ése es un viaje que ha trazado la Humanidad desde los tiempos de Demócrito, cuando se debatía si la materia era continua o, por el contrario, estaba constituida de pequeñas partes, los átomos. Precisamente, una vez se comprendió que la materia parecía estar constituida por átomos, el siguiente paso fue intentar entender cómo eran posibles, es decir, atacar lo que se conoce como el problema de la estabilidad de la materia, que engloba además una serie de cuestiones inabordables con las teorías físicas del siglo XIX. Este sería el germen de la mecánica cuántica, que comenzó explicando el átomo de hidrógeno y la tabla periódica, y finalizó con el bosón de Higgs. Aunque hay que tener en cuenta que la física cuántica es mucho más, porque al mismo tiempo que nos explica la estabilidad de la materia, también nos dice que el mundo es mucho más rico en matices de lo que estamos habituados a percibir en la vida cotidiana. Esto es, un sistema cuántico puede ser localizado en varios lugares al mismo tiempo, lo que el físico austríaco Erwin Schrödinger ilustró con la vívida idea de que un gato metido dentro de una caja, y cuya vida está sometida al capricho de la desintegración de un pedazo de sustancia radiactiva, estará vivo y muerto al mismo tiempo.

Ciencia en Navidad 2014

‘¿Qué tienen que ver los gatos con el bosón de Higgs?’, el 22 de diciembre a las 18h.

En la Navidad de 1825, el físico autodidacta inglés Michael Faraday lanzó desde la Royal Institution una serie de conferencias anuales, las Christmas Lectures®, en las que se presentaba y explicaba al gran público avances en las diferentes disciplinas científicas de interés de la época. Salvo por la interrupción de cuatro ediciones debida a los bombardeos de Londres durante la Segunda Guerra Mundial, esta tradición se ha mantenido vigente hasta la actualidad.

¿Y por qué les cuento todo esto? Recogiendo ahora el guante de Faraday, por un lado, y ese interés por el misterioso mundo cuántico, por otro, este año se pretende lanzar desde el CSIC la primera experiencia en esa línea, un proyecto ilusionante e ilusionador, que ayude a acercar la ciencia a la sociedad de una manera muy amena, sencilla y, sobre todo, humana.

El propósito de la primera conferencia (¡no al uso!) de ‘Ciencia en Navidad’ es introducir la física cuántica al público general. Se trata de que el público comprenda que la base de la física cuántica es relativamente simple y que, cuando mire a la pantalla de su televisor, toque la pantalla de su móvil, encienda sus leds navideños o simplemente se mire al espejo, recuerde que en todo ello hay un gato que está vivo y muerto a la vez, o que los electrones que hay en esos dispositivos alguna vez, en el pasado, adquirieron su diminuta masa gracias a un bosón de Higgs.

* Ángel S. Sanz es investigador en el Instituto de Física Fundamental (CSIC) y va a inaugurar ‘Ciencia en Navidad’ con la sesión “¿Qué tienen que ver los gatos con el bosón de Higgs?”, que se celebrará el lunes 22 de diciembre a las 18h en el Salón de actos del CSIC (c/ Serrano, 117, Madrid). Entrada libre y gratuita.

¿Puede el LHC generar un agujero negro que se trague la Tierra?

Por Mar Gulis

William E. East y Frans Pretorius, investigadores de la Universidad de Princeton, reavivaron en 2013 la polémica sobre si el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas del mundo, podría crear un agujero negro. Sin embargo, su teoría no ha tenido mucho recorrido en la comunidad científica. Vamos a contar por qué.

Ambos físicos se apoyaban en la tesis de que la colisión de dos partículas que viajan muy rápido (concentrando energía en un punto concreto) puede generar un agujero negro. Desde esta premisa su hipótesis era que el LHC tendría la capacidad para producirlos, debido a que sus experimentos consisten básicamente en provocar estas colisiones.

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Interior del Gran Colisionador de hadrones (LHC), ubicado en el CERN de Ginebra / CERN.

Para quienes no estén familiarizados con el LHC, aquí va una breve explicación. Situado en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra, el LHC –donde se está confirmando la existencia del famoso bosón de Higgs– es un gigantesco anillo de 27 kilómetros de circunferencia y ubicado a 100 metros de profundidad. Por su interior circulan billones de protones en los dos sentidos. Estas partículas subatómicas son aceleradas a velocidades vertiginosas, concretamente a un 99,999999% de la velocidad de la luz, para que choquen entre sí millones de veces por segundo. En esta especie de gran tubería hay, además, unos complejos detectores que registran los resultados de las colisiones para su posterior análisis. Cada uno de esos choques produce cientos de partículas –entre ellas la que podría ser el bosón de Higgs– cuyo estudio puede mejorar nuestro conocimiento de la naturaleza y el universo.

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Traza hipotética del bosón de Higgs que produciría una colisión en el LHC / Wikipedia

Como decíamos, el artículo de East y Pretorius, publicado en el diario Physical Review Letters en 2013, apuntaba a una hipotética peligrosidad de las colisiones realizadas en el LHC. Aunque tuvo una aceptación minoritaria, el estudio levantó cierta polémica. El físico teórico del CSIC Alberto Casas, que ha participado en más de una ocasión en los experimentos del Gran Colisionador, sostiene que la comunidad científica tenía pruebas de que no existía el más mínimo riesgo.

“Todas las teorías indicaban que era prácticamente imposible producir un agujero negro, solamente algunas muy exóticas decían lo contrario”, explica. E incluso esas teorías decían que, de producirse, el agujero se desintegraría inmediatamente. Aun así, Casas añade que los más escépticos podrían argumentar: “¿Y si las teorías están equivocadas y se produce un agujero negro que no se desintegra, empieza a chupar materia y al final se traga toda la Tierra?”

Él niega que esto sea posible. Aunque en el LHC se consiguen colisiones muy energéticas, no son las únicas. La Tierra, tal y como recuerda Casas, recibe cada día unas 10.000 colisiones por segundo tan energéticas como las del LHC o más y existe desde hace 5.000 millones de años. Los rayos cósmicos –partículas de tipos diversos que provienen del espacio exterior– son un ejemplo. Aunque la mayor parte tienen una energía mucho menor que la alcanzada en el LHC, algunos la igualan o incluso la superan.

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Simulación de una radiación cósmica causada por el impacto de una partícula proveniente del espacio exterior / Wikipedia.

En realidad, desde su nacimiento, la Tierra habría recibido impactos 100.000 veces superiores a los ocasionados por el LHC y ha sobrevivido. Más allá de la Tierra, hay otros muchos objetos más grandes que nuestro planeta que reciben impactos y ahí siguen, como es el caso del Sol. Resulta que cada segundo en el universo visible tienen lugar colisiones equivalentes a 30 billones de experimentos en el LHC y no hay ninguna señal de catástrofes. Hasta el momento, estas colisiones nunca han producido un agujero negro que se haya tragado la Tierra, los planetas o las estrellas.

Por cierto, actualmente el LHC se encuentra sometido a tareas de mantenimiento, pero a partir de 2015 volverán a provocarse colisiones en su interior. El reto seguirá siendo detectar el bosón de Higgs y otras partículas entre los millones de choques para entender por qué las cosas tienen masa, de qué está hecho el vacío y otras leyes básicas de la Naturaleza.

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre el LHC y los agujeros negros, consulta el libro El LHC y la frontera de la física (CSIC-Catarata), de Alberto Casas, y El bosón de Higgs (CSIC-Catarata), de Alberto Casas y Teresa Rodrigo.