Los Misterios de la Física

                                            Científicos de todo el mundo trabajan para descubrir el misterio del universo y la vida a través de una partícula.

Un gran número de científicos sobre todo de Europa trabajan conjuntamente para revelar los grandes paradigmas del cosmos esto al tratar de identificar con certeza a una partícula llamada “bosón de Higgs”, pues se cree que es la pieza clave del mecanismo que proporciona masa a otras partículas y todo comenzó poco después del Big Bang hace 13 700 millones de años.

El “bosón de Higgs” en honor al físico británico Peter Higgs y denominada también “partícula de Divina” recibe este último nombre por un libro de divulgación científica escrito por Leon Lederman un físico galardonado con el Premio Nobel de Física del año 1988. Que fue Director del CERN y físico experimentador de las formas más pequeñas de la materia.

Esta partícula fue teorizada en 1964 aunque se propuso su existencia hace muchos años, en la actualidad se intenta probar que realmente existe y para ello, se está utilizando el famoso colisionador de partículas también llamado “Acelerador de Hadrones (LHC)”. Los científicos del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) esperan tener a finales del 2012 más datos con ayuda del Gran Colisionador de Hadrones (LCH) para saber si existe el Bosón de Higgs. Han dado unas noticias de la posible aparición del Higgs en esas primeras colisiones pero, lo han dejado en suspenso sin asegurar nada, la complejidad de los datos, hace que sean prudentes y que sigan su trabajo.

Como no los podemos ver por su infita pequeñez, siempre acudimos a mostrar las imágenes que surgen de la explosión de los haces de partículas en los aceleradores y que recogen las pantallas del ordenador para que los físicos las estudien y obtengan consecuencias de lo que ahí pueda estar presente. ¿Quién no ha oído la palabra Bosón en los últimos tiempos? Pero, ¿Qué es un Bosón?

Bueno, un Bosón es una partícula elemental con espín entero, es decir, una partícula que obedece a la estadística de Bose-Einstein de la cual deriva su nombre, y, cuando hablamos de estadística cuántica nos estamos refiriendo a la descripción estadística de un sistema de partículas que obedece a las reglas de la mecánica cuántica en vez de las de la mecánica clásica. En estadística cuántica, los estados de energía se considera que están cuantizados.

La estadística de Bose-Einstein se aplica si cualquier número de partículas pueden ocupar un estado cuántico dado. Dichas partículas se llaman Bosones. Los bosones tienen momento angular nh/2π, donde n es cero o un entero y h es la constante de Planck. Para Bosones idénticos, la función de onda es siempre simétrica. Si sólo una partícula puede ocupar un estado cuántico, se aplica la estadística de Fermi-Dirac y las partículas se llaman fermiones. Los fermiones tienen momento angular (n + ½) h/2π y cualquier función de ondas de fermiones idénticos es siempre antisimétrica.

La relación entre el espín y la estadística de las partículas está demostrada por el teorema espín-estadística.

La colisión de un quark (la esfera roja) desde un protón (la esfera naranja) con un gluon (la esfera verde) desde otro protón con espín opuesto. El espín está representado por las flechas azules alrededor de los protones y del quark. Los signos de interrogación azules alrededor del gluon representan la pregunta: ¿Están los gluones polarizados? Las partículas expulsadas de la colisión son una lluvia de quarks y un fotón (la esfera púrpura)

En un espacio de dos dimensiones es posible que haya partículas (o cuasi partículas) con estadística intermedia entre bosones y fermiones. Estas partículas se conocen con el nombre de aniones; para aniones idénticos la función de ondas no es simétrica (un cambio de fase de +1) o antisimétrica (un cambio de fase de -1), sino que interpola continuamente entre +1 y -1. Los aniones pueden ser importantes en el análisis del efecto Hall cuántico fraccional y han sido sugeridos como un mecanismo para la superconductividad de alta temperatura.

Pero estábamos hablando de los Bosones y, no estaría demás que, los lectores, supieran del Bosón gauge que es un Bosón vectorial de espín uno que hace de intermediario de las interacciones gobernadas por teorías gauge. Ejemplos de bosones gauge son los fotones en electrodinámica cuántica, los gluones en Cromodinámica cuántica y los bosones W y Z en el modelo de Weinberg-Salam (teoría electrodébil) que unifican las interacciones electromagnéticas y débiles. Si la simetría gauge de la teoría no está rota, el Bosón gauge es no masivo. Ejemplos de bosones gauge no masivos son el fotón y el gluón. Si la simetría gauge de la teoría es una simetría rota, el Bosón gauge tiene masa no nula; ejemplos de ello son los bosones W y Z. Tratando la Gravedad, descrita según la teoría de la Relatividad, como una teoría gauge, el Bosón gauge es el gravitón, partícula no masiva y de espín dos.

La fuerza de la Gravedad está intermediada (se cree) por una partícula que llamamos gravitón y que aún, no ha sido encontrada.

Hay también partículas cuya rotación, al duplicarse, resulta igual a un número par. Para manipular sus energías hay otra serie de reglas, ideadas por Einstein y el físico indio S. N. Bose. Las partículas que se adaptan a la estadística Bose-Einstein son bosones, como por ejemplo la partícula alfa.

Se ha dejado caer un condensado de Bose-Einstein desde una altura de 146 metros repetidamente. El experimento, realizado por un equipo internacional, demuestra que este tipo de sistema cuántico tan delicado puede ser creado y analizado en condiciones de microgravedad, como el de la caída libre.

Además sugiere que un experimento similar se puede llevar a cabo en el espacio, donde se pueden poner a prueba las predicciones de la Teoría General de la Relatividad.

Hay un fenómeno que afecta a los Bosones y que se llama Condensación de Bose-Einstein, y, tal fenómeno ocurre en los sistemas macroscópicos consistente en un gran número de Bosones a temperatura suficientemente baja, en el que una fracción significativa de las partículas ocupan un único estado cuántico de energía más baja (el estado fundamental).

Los físicos han creado un nuevo tipo de luz con los fotones enfriados dentro de un estado de burbuja. Al igual que los sólidos, líquidos y gases, esta condición, descubierta recientemente, representa un estado de la materia. El denominado condensado de Bose-Einstein, fue creado en 1995 con los átomos superenfriados de un gas, pero los científicos pensaban que no se podía hacer con los fotones, las unidades básicas de la luz.

La condensación de Bose-Einstein sólo puede ocurrir para bosones cuyo número total es conservado en las colisiones. Debido al Principio de exclusión de Pauli es imposible que dos o más fermiones ocupen el mismo estado cuántico, por lo que no hay fenómeno análogo de condensación para estas partículas.

La Condensación de Bose-Einstein es de importancia fundamental para explicar el fenómeno de la superfluidez. A temperaturas muy bajas (del orden de 10 ̄⁷ K) se puede formar un condensado de Bose-Einstein, en el que varios miles de átomos forman una única entidad (un superátomo). Este efecto ha sido observado con átomos de rubidio y litio.

Como curiosidad no puede dejar de apuntar que, el efecto es llamado así en honor del físico indio Satyendra Nath Bose y de Albert Einstein

Al principio de éste trabajo preguntaba: ¿Quién no ha oído la palabra Bosón en los últimos tiempos?, y, desde luego, me estaba refiriendo a todo el proceso publicitario del LHC y su búsqueda del llamado “Bosón de Higgs”. Antes me refería a que, la teoría electrodébil unificaba las fuerzas nucleares débiles y electromagnéticas mediante la teoría formulada por Weinberg y Salam que unificó a estas dos interacciones fundamentales tan diferentes en sus manifestaciones (por separado) a un único principio de simetría. El modo en que esta simetría gauge electrodébil queda oculta es uno de los misterios más importantes que la Física debe resolver.

La solución más comúnmente aceptada, viene de la mano del Modelo Estándar de la Física de Partículas que formularon Higgs, Brout, Englert, Murray Gell-Mann y otros allá por los años 60. El agente de la rotura de la simetría electrodébil es un campo escalar cuyas auto-interacciones seleccionan un estado del vacío en el que la simetría electrodébil queda oculta. El mecanismo de Higgs como es normalmente conocido confiere masa a los portadores de la fuerza débil W± y Z por analogía con el efecto Meissner en superconductividad. Este mecanismo nos indica el camino hacia la masa de los quarks y leptones además de dotar de forma al mundo que nos rodea.

“Explorar el misterio del espín de los protones ha sido uno de los objetivos clave de la investigación científica en el RHIC”, dijo Steven Vigdor, Director Asociado de Laboratorio de Brookhaven para Física Nuclear y de Partículas. “Como muchos misterios científicos, éste resulta ser más complejo cuanto más aprendemos sobre el mismo. Las medidas del bosón W fueron posibles gracias a nuevas técnicas de detección en los experimentos STAR y PHENIX del RHIC y la ampliación del récord mundial de energías del RHIC para la aceleración de haces de protones con una preferencia distinta en la orientación del espín. Los resultados nos permiten resolver los detalles sutiles que antes eran inaccesibles, y deberían acercar el campo a una comprensión cuantitativa de la estructura y la dinámica del espín del protón”.

Todos esperamos que el Acelerador de Partículas protón-protón LHC produzca las primeras colisiones a la energía de 14 TeV (si es posible en este mismo año). DE momento, en los preliminares experimentos realizados, se ha explorado la escala de Fermi, es decir, el régimen de energía que corresponde a una energía de alrededor de 1 TeV, y, en los siguientes experimentos quiero recordar que se ha llegado a los 3,5 TeV que, sumados los haces de protones que circulan en distintas direcciones, llegan a los 7 TeV. Así que, uno de los objetivos principales es el de buscar el origen del mecanismo de rotura espontánea de la simetría, por lo que la búsqueda del Bosón de Higgs es un objetivo clave que debe ser cumplido en dichos experimentos.

Está claro que, el valor individual de las partículas elementales que hoy son conocidas determina muchos de los aspectos de nuestra vida cotidiana y del comportamiento y tamaño del Universo en el que vivimos.

La masa del electrón, determina la escala de longitud de nuestro mundo, a través del radio de Bohr definido como: a=1/(α_em m_e), si la masa del electrón fuese nula, no existiría siquiera el enlace atómico, si fuese por ejemplo de 0,02 MeV/c², los humanos seríamos gigantes de más de 40 metros de alto y la luz visible se encontraría en el infrarrojo, y si la masa del electrón fuese como la del muon, el siguiente leptón en la escala de masas, la captura nuclear de electrones sería energéticamente posible y prácticamente el único átomo existente sería el He. Si los Quarks no tuviesen masa, o bien m_u= m_d, y por tanto m_p> m_n, el proceso de desintegración del protón sería posible, lo que llevaría a un procesos de nucleosíntesis completamente diferente. Los pequeños valores de la masa de los Quarks u y d dan cuenta de un importante detalle del espectro de los nucleones.

La observación, en contra de lo intuitivamente esperado de que el neutrón, neutro (udd) es 1,29 MeV más masivo que el protón, cagado, (uud) se puede explicar por el hecho de que m_des más grande que m_u, justo por la cantidad necesaria para compensar la mayor energía electromagnética interna del protón. Junto con la fuerza de enlace nuclear esta diferencia de masa entre el neutrón y el protón determinan la estructura de las desintegraciones radiactivas y el conjunto de los núcleos estables.

Si el Bosón W no tuviese masa, o ésta fuese mucho menor que su valor de cerca de 80,4 GeV/c², el proceso de fusión en las estrellas, y por lo tanto en nuestro Sol, p+p →D+e+ν, determinado por G_F˜ (M_W) ^-2

El resultado de lo anterior es que se produciría un período de tiempo más corto y a menor temperatura, lo que no dejaría humanos en la Tierra. Se puede decir para resumir que los valores concretos de las masas de las partículas que conforman la materia, incluso la materia ordinaria, como el electrón y los quarks u y d, y la del W son esenciales para la creación y desarrollo del Universo.

                                                                  El Tamaño del Universo…¿lo podemos realmente imaginar?

Está claro entonces que, el mecanismo de Higgs que distingue el electromagnetismo de la interacción débil es en resumen, de importancia capital para dar forma a nuestro mundo, dando cuenta de las masas de las partículas intermedias de la interacción débil, y dentro del SM proporcionando una masa a los Quarks y leptones. La comprensión de este mecanismo o de cualquier otro que explique estas propiedades, nos dará buenas herramientas para poder explicar por qué los átomos existen, cómo dichos átomos pueden formar el enlace químico, y la razón por la que las estructuras estables son posibles. La respuesta a estas cuestiones que son algunas de las más importantes que la Humanidad se ha planteado, están en la actualidad al alcance de la Física de Partículas que en ésta década que ha comenzado y con el LHC a plena disposición, será posible probar experimentos a escalas más pequeñas que 10 ^-18 m, que previsiblemente nos llevará a comprender el mecanismo de rotura de la simetría electrodébil, para lo cual, una parte crucial es buscar el Bosón de Higgs para comprobar y medir todas sus propiedades.

Si todo esto es posible, y definitivamente nos lleva a comprender el funcionamiento de la rotura espontánea de la simetría es un agente escalar elemental como ocurriría en el SM, sería la primera partícula de este tipo conocida experimentalmente. Entender su comportamiento nos podría llevar a nuevas ideas acerca de la dinámica del Universo en sus primeros momentos de “vida”, y, ¿por qué no? También nos podría situar ante el origen de la energía oscura.

                                                                                                               En el contexto de la Naturaleza, ¿qué somos?

Todo esto es fascinante y, desde luego, nos introduce en un mundo desconocido y misterioso que, en lo más profundo de la Naturaleza, tiene escondidas las respuestas que buscamos para poder saber, de una vez por todas, como es nuestro mundo, en qué clase de Universo estamos, y, sobre todo, el por qué desconocemos muchas de las cosas que ocurren a nuestro alrededor y de las que no podemos dar una respuesta coherente y cierta, ya que, nuestra enorme ignorancia, nos mantiene alejados de esos misteriosos secretos de la materia que, de momento, nadie ha sabido explicar.

Esperemos que, en unos pocos años se puedan despejar muchas de estas dudas y nos podamos situar a un nivel que, desde luego, hará mucho más fácil conocer el camino que tenemos que tomar para dirigirnos a un puerto seguro de nuestro futuro.

emilio silvera

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