el higgs

2015EL HIGGS, EL UNIVERSO LÍQUIDO Y EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES

Torres Pineda Osvaldo

Facultad de física

Docente: Prof. Hugo Ponce Flores

Ensayo del libro:

El Higgs y el gran colisionador de

hadrones, G. Herrera Corral,

colección CONACYT.

EL HIGGS Y EL COLISIONADOR DE HADRONES

Sin duda, los grandes descubrimientos que la ciencia moderna ha logrado, son sucesos que han hecho trascender a la comunidad científica e impactar de una forma positiva a la sociedad, de modo que en el ámbito de la ciencia, sobre todo la física y en especial la física de partículas o la física nuclear, son dos ramas que han contribuido de forma directa a los avances en salud, sobretodo, pero esto no limita a pensar los estudios a fondo de las diversas investigaciones que se realizan a nivel mundial, enfocando diversos temas de intereses social y así dar respuestas a los hechos que ya ocurrieron en un pasado lejano o que ocurren en el presente pero aún no existe una forma clara de darle sustento y explicación a dichos fenómenos, con esto fue que se buscó dar argumentos sobre una de las cuestiones universales: ¿Cómo se originó el universo? ¿Qué o como es que se crea la materia que hoy conocemos?... y por estas simples pero controversiales cuestiones fue que se inició un proyecto multinacional en la unión europea, un proyecto a nivel mundial, con un alto grado de interés para toda la comunidad científica, “el colisionador de hadrones” desarrollado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN). Donde se tiene el objetivo de llegar a fondo en la comprobación de teorías acerca del origen del universo.

En búsqueda por encontrar respuesta conocer de dónde venimos, el gran Colisionador de Hadrones es capaz de recrear el origen del universo en un pequeña fracción de milésimas de segundo, a través de colisiones de partículas a grandes cantidades de energía, gracias a la tecnología de dicho complejo de investigación y experimentación, donde recientemente se hizo uno de los grandes descubrimientos, que una vez más revolucionan la física que conocemos, este descubrimiento es el llamado Bosón de Higgs, el cual una vez comprobada su existencia, el análisis del universo toma una nueva perspectiva; de modo que para hablar de este grandioso hallazgo, antes debemos hacer mención de como la ciencia fue evolucionando hasta llegar a estos extremos, por lo que empezaremos por rasgos particulares, que aunque a pesar extraña naturaleza, revolucionaron la física que hoy conocemos.

Nuestro mundo, es un mundo de ideas, donde en mayoría de sus veces es más fácil crear la idea que construirla físicamente, ya que una idea sobrevive tan fuerte y practica como puede llegar a ser, ideas que hace 100 años aún tenían presencia en la comunidad científica, sobre todo la afirmación de la existencia del éter, el dichoso aliento de los Dioses como los griegos señalaban y por otra parte la discusión de la mecánica newtoniana al ser llevada al mundo macroscópico, dos nubes oscuras y densas que parecían someter a la Física en un mundo donde ya todo estaba solucionado, en el cual solo era cuestión de tiempo para mejorar los errores de mediciones y tener una Física más precisa; Ideas que sin lugar a duda eran incuestionables a pesar de algunos experimentos arrojaban resultados

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distintos, mediciones que al ser calculadas corrompían la física establecida, estallando una crisis científica, donde sacar una idea espontanea bastaba para justificar los hechos.

Como se plantea, la idea del éter y los experimentos de maxwell y Boltzmann llevaron a la conclusión de que la solución estaba más allá del sexto decimal, mas allá de lo que la mecánica newtoniana podía explicar con sus fórmulas, ya que fenómenos como la llamada “catástrofe ultravioleta” ponía en juicio la física conocida, siendo estos los hechos que empezaron a marcar una nueva era científica, una revolución que surge del mundo atómico, dicha revolución se sustenta de dos grandes personajes mencionados a continuación.

Max Planck (1900) uno de los grandes científicos, que dio solución a uno de los dos problemas, la catástrofe ultravioleta, sustentando el fenómeno a través de un estudio del mundo atómico y su comportamiento, ya que se observaba que al calentar un metal a más de 1000° grados vemos un rojo vivo y posteriormente a los 1500° un color anaranjado, al modo de que al ir ascendiendo la temperatura se observa el color amarillo y destellos verdes y al llegar a un punto de 3000 grados observamos el color blanco, surgiendo el gran misterio ya que al aumentar más la temperatura, el color debe de cambiar, pero no sucede, este fenómeno de cuerpo negro, Planck lo explico a través de una nueva forma de ver las cosas, partiendo del principio conocido, el cual indica que todo cuerpo a altas temperatura emitirá radiación en forma de calor, y según los cálculos al calentar un cuerpo a más de 3000 grados este debería emitir radiaciones ultravioleta infinitas, cosa que no sucedía, por lo que Planck señalo que la radiación de los cuerpos negros es descontinua, imaginando que dichos cuerpos se componen de partículas que oscilan a una cierta frecuencia, de modo que a estas se les denomino Quantum donde la energía de este, depende de la longitud de onda de radiación, es decir del color de la emisión, donde a menor longitud mayor será la energía del paquete.

Las concepciones de Planck, eran un poco controversiales, ya que muy pocos conocían los comportamientos de las partículas a nivel atómico, aunque quien pensaría que dicha idea sustentaría hoy la mecánica cuántica, que a partir de una idea basada en paquetes discretos de energía ayudaría a dar un paso gigante al mundo atómico, a ir en búsqueda de relaciones entre el mundo visible y el imperceptible, que al final se consolidaron en una ecuación matemática que describe la energía de los paquetes, en relación a la mecánica newtoniana, donde:

Ec=1 (m )(v2)2

Mecánica newtoniana Ef=h v mecánica cuántica

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Para Newton la Ec era igual a un medio de la masa por la Velocidad al cuadrado

Para Planck era que la energía de un fotón era igual a la frecuencia por una constante, hoy

conocida como la constante de Planck, donde:

h= 6.6 x 10-34 J s


De esta forma Max Planck fundamenta a partir de una idea la mecánica cuántica y da solución a uno de los problemas que era la catástrofe ultravioleta.

Ahora con respecto al segundo problema del éter, es algo particular y en cierta forma sobresaliente ante la teoría de Planck, ya que lo sucedido conforme a este misterio desato a lo que algunos llaman la posrevolución o segunda revolución, comenzando todo por el experimento de Albert Michelson & Edward w. Morley, el cual consistía en un interferómetro capaz de medir la interferencia de la luz con el medio, en este caso el famoso éter.

Este interferómetro tenía como misión dar las conclusiones acerca de las propiedades del “aliento de los Dioses”, ya que de existir un éter, la teoría marca que la velocidad de la luz se vería interrumpida al viajar perpendicularmente a la velocidad de la tierra y bajo este criterio el patrón de interferencia demostraría la existencia del éter, ya que tomando el ejemplo de que si lanzamos 2 esferas sobre un piso sin fricción desde un mismo punto, llegaran a cualquier punto del recorrido en el mismo instante, pero al existir fricción, las situaciones serian distintas; fenómeno que no se observó durante el experimento, ya que en ningún momento se vio alguna interferencia en los patrones, así las mediciones fueran de día o de noche, en 2 o 6 meses, nunca sucedió nada, de modo que Michelson & Morley creyeron que su experimento había fracasado y el problema no estaba resuelto, al contrario, causaba mas interrogantes, donde hombres como poicare y Lorentz a través de ideas y de algunas formulaciones matemáticas, justificaban el hecho que aun en su época, era un misterio.

Pero la revolución estallo, cuando un gran hombre, Albert Einstein partió de la idea de que la velocidad de la luz, siempre es constante, sin importar la distancia o posición, su velocidad siempre es la misma, surgiendo así la famosa “teoría de la relatividad”, al cual partía los ideales de tener un tiempo absoluto, un marco de referencia y un mismo tiempo, señalando que al ser constante la velocidad de la luz, el éter por lo tanto no existe y el sencillo hecho de decir que el éter no existe, era contradecir los ideales de más de 1600 años atrás, salir de un marco de confort a un nuevo mundo, el mundo de la relatividad.

La relatividad de Einstein dividida en dos aspectos, la general y la especial lleva a estudios del mundo macroscópico de las galaxias, la curvatura del espacio tiempo y la expansión de nuestro universo, dando paso a nuevos modelos matemáticos para representar dichos fenómenos, como las esferas de espacio-tiempo, el uso de las geodésicas, etc…

Por lo cual, ahora tenemos encontrado los dos sucesos que dieron paso a la física actual, la relatividad y la mecánica cuántica, el mundo de lo macro y lo micro, el estudio universal y el mundo atómico, con la nueva cuestión ¿Quién o que sustenta a quién? ¿ de dónde viene el origen del universo? ¿Qué pasa en el mundo atómico?... surgiendo ideas y modelos que llevaron a extremos, uno de ellos, la idea del bosón de Higgs.

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Modelos de la relatividad

La nueva Idea de plasmar la respuesta del origen del universo, fue tan grande desde el punto cuando la comunidad científica estuvo segura de las dos ramas que coexistían en el universo, el macro y el microcosmos, tenían clara la presencia de la fuerza en los dos marco de referencia, una fuerza distinta a la gravitacional, ya que esta no actúa sobre la mecánica cuántica, ni las fuerzas de la mecánica cuántica sobre las galaxias, pero si una fuerza, un origen un algo que una el extremo de los dos mundos, la búsqueda de una frontera entre lo atómico y lo macrocósmico, quizás una teoría cuántica de la gravedad.

Estas revolucionarias ideas, llevaron a un estudio implacable del comportamiento de las galaxias, de los cúmulos globulares, a investigar sobre el comportamiento de las partículas y ver más allá de sus interacciones, arrojándonos datos sobre la existencia de agujeros negros, la presencia de más partículas fundamentales y con ello la construcción de la maquina tecnológica más avanzada de la ciencia de partículas, el colisionador de Hadrones; este complejo tecnológico, con el objetivo de recrear el comienzo del universo llevo a la comunidad científica a poder sustentar diversas teorías, como la existencia de los quarks, los positrones, etc… y el más grande descubrimiento, el Bosón de Higgs o campo de Higgs; todo esto derivado de la relación encontrada entre los agujeros negros y el modelo estándar del origen del universo, la gran explosión, donde se cree que es la basta concentración de masa y altos niveles de energía, que al saturarse estallan en una gran explosión como sucede en las supernovas, de modo que creemos que surgimos de una gran explosión y que en ese instante hubo algo que dio origen al mundo material que hoy tenemos, un algo que formo el universo, las galaxias, a ti y a mí, un algo que dio vida al mundo atómico y fuerza para convertirlo en el macrocosmo.

Todos estos descubrimientos, fueron sustentados en el CERN, el complejo tecnológico que mencionamos anteriormente, sobre todo a ALICE (el detector de las colisiones experimentales que se han tenido), colisionados iones de partículas a altas velocidades, de modo que al chocar se provoca un efecto parecido, al que se cree, se dio y existió en un principio universal, encontrando así mismo en dichas colisiones el bosón de Higgs, el cual no es más que un campo que teóricamente crea o sustenta la materia que conocemos.

En 2008, la noticia que toma la comunidad científica esperaba, por fin fue confirmada, el campo de Higgs existe… que emocionante noticia recibió la comunidad científica, ya que fueron miles de colisiones hasta llegar a un resultado esperado con ansias. Asegurando que partículas como los quarks estuvieron separadas entre sí al menos el primer milisegundo del universo, permitiendo obtener datos del fluido ideal de partículas, ya que al calentar los quarks a altas temperaturas 150000 veces mayor a la del sol, estos jamás se logran desconectar tan fácilmente entre sí, su fuerza nuclear se debilita pero no lo suficiente para

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separarlos, solo toman forma acuosa, a lo que teóricamente se le llama fluido ideal, el líquido perfecto llamado teóricamente, y así concluir con el grandioso descubrimiento, el boson de Higgs, el culpable de originar la materia que hoy conocemos.

E bosón de Higgs, la última partícula fundamental en ser hallada, la cual no es más que una “diminuta” partícula, exagerando, que tiene una masa de unas 100 veces menor a la del protón, que se encuentran entrelazadas en un campo (campo de Higgs) que estuvo presente desde los orígenes de nuestro universo, ya que se describe como un espacio donde las partículas tiene que pasar y el paso de estas causa diversas interacciones, ya que los electrones logran pasar con facilidad, el protón igual, aunque el muon y el quark Top, son los que no pasan con dificultad y en el caso del Top, que es toda masa concentrada, al interactuar con el campo de Higgs, su energía se convierte en masa y así esto da origen a la materia visible que hoy conocemos.

Su descubrimiento se logró, después de miles de colisiones de Hadrones, a grandes velocidades y altas energías, por lo que se necesitó de bastas cantidades de energía, espacio, dedicación y control, puesto a que un error en alguna colisión no solo implica perdidas millonarias, si no las posibles consecuencias de la colisión podrían dañar a todo el complejo tecnológico, que en si se tomaron todas las medidas requeridas para crear las pequeñas gotitas del origen universal, recrear el dichoso momento en que todo comenzó y estudiar a fondo cada suceso y así poder decir hoy en día, con bases y pruebas que es lo que creo la materia y limitarnos hasta ese punto, ya que los nuevos experimentos nos harán conocer un poco más acerca de las propiedades de la dichosa partícula de Dios, el Bosón de Higgs.

Ahora para concluir, por un instante imaginemos ¿Cómo es un Bosón? ¿Qué forma tiene? ¿Quién supo que estaba ahí en el mundo atómico? ¿Hemos encontrado todo?.... pues sin duda, es difícil imaginar la apariencia física de un Bosón, puede ser circular, cuadrado, sin forma exacta, nadie lo sabe aún, solo tenemos prueba de que existe y que el conjunto de ellos se comporta como un campo que interactúa con todas las partículas fundamentales, quizás puedan ser miles de millones de simples puntos que en conjunto toman forma y son apreciables a nuestros ojos o al menos eso es lo que creemos, puesto a todo partió de la idea del doctor Higgs, por ello Bosón de Higgs, una idea que daba sustento a lo que observamos y estudiamos y dando fidelidad a la ciencia y a los hombres de ciencia, tenemos la certeza de que así es, que existe realmente aunque no lo veamos, pero los datos experimentales señalan que ahí existe, por ello decíamos al principio que nuestro mundo es un mundo de ideas, todo comenzó a partir de una idea, experimentar, comprobar y concluir, cada idea nueva en cada generación forjo la física que hoy conocemos, la relatividad, el electromagnetismo, la mecánica cuántica, la mecánica clásica, todas surgieron de una idea, una idea menos difícil de crear que de plasmar, llevándonos a extremos de crear los

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colisionadores para comprobar una idea y conocer si lo dicho es real o no y así sustentar la fidelidad de la ciencia.

El Higgs solo sustenta algo que queríamos saber, el origen de la materia, pero nadie aun sustenta que es lo que causa el campo de Higgs, por ello una idea más ha surgido “la teoría de cuerdas”, la cual podría tener sustentos a partir de estudios a detalle del Bosón de Higgs.

Nuestro universo, nuestras galaxias y todo lo que hoy conocemos es como el mar que también conocemos, solo que no sabemos dónde empieza o donde termina, simplemente sabemos que es grande y que en abordan miles de seres, cientos de islas, e incontables seres microscópicos, así de igual forma es nuestro universo, con miles de estrellas, millones de galaxias, todas incontables, dado a un universo que siempre crece y crece, se expande.

Siglos nos ha llevado comprender nuestra naturaleza y aun no la entendemos de todo, ideas tras otras surgen, algunas con sustento otras inexplicables, el Bosón es una idea más hecha realidad, ¿Qué tan compleja es? Eso depende, puedes hacerla tan difícil como la teoría de cuerdas o tan sencilla como una taza de café… ¿Por qué una taza de café negro?...como observamos al hervir el agua solo excitamos las partículas, aumentamos su energía hasta que empieza a liberar radiación en forma de vapor, una vez caliente vertimos los granos de café, ahora imaginemos esto con el universo, todo en el principio era en si la nada, pero la teoría de la gran explosión señala que una gran cantidad de energía se concentró y exploto, eso asemeja a la taza de café, al estar el agua sola, no sucede nada, pero al calentarse esta ahora tiene una gran cantidad de energía, de modo que si vertimos agua hirviendo sobre una taza y en ella están los granos de café, los cuales asemejan a los bosones, pues en nuestro universo sin los bosones la materia no existe y en la taza sin los granos de café, no es café, solo es agua simple, sin sabor, sin textura, nuestro universo inicial, la nada y el todo en un mismo instante es nuestra aguan insípida, que al caer sobre la taza interactúa con el café, toma coexistencia, sabor, se crea un espacio y un tiempo, se crea un universo….

Pero a pesar de todo, aún seguimos en búsqueda de nuestro origen, de lo que sucedió en esa milésima de segundo, antes de la gran explosión… tenemos muchas ideas pero pocos recursos para poder plasmarlas, dejándonos a la deriva de explorar un universo infinito, pero para esto ¿hasta dónde debe llegar la ciencia? ¿El bosón de Higgs es el fin de todo? ¿Qué hay de la teoría de cuerdas y su relación con el Higgs? Y… ¿qué sucedió con la constante cosmológica de Einstein? ¿Cuál será el próximo gran salto que dará la ciencia? ¿Hay aún esperanzas en el colisionador de hadrones?... esto es algo que aun la ciencia humana no conoce, pero espera descubrir. Al hoy por hoy, la ciencia concluye:

No habría materia, y sus componentes más elementales aún estarían dispersos por el vasto espacio, de no ser por el llamado “bosón de Higgs”, partícula que hasta hace poco era sólo una conjetura teórica. La comprobación experimental de su existencia es por ello uno de los principales logros de la ciencia contemporánea, alcanzado gracias al que tal vez sea el

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proyecto multinacional más ambicioso de todos los tiempos: el Gran Colisionador de Hadrones.

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