3.6.09

Boson de Higgs



¿El último misterio de la Física de partículas?


Es la única partícula aún no observada del modelo estándar de la Física de las unidades mínimas. Podría ser detectada, junto a elementos aún ni conjeturados teóricamente, por el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Para especialistas como el doctor en Física Daniel de Florian, estamos frente a un posible cambio de paradigma en las ciencias físicas.





Diego Oscar Ramos - Revista Espacio - 2008




Pocos momentos parecen tan atractivos para la Física de Partículas como este presente donde la investigación teórica se une con las tecnologías de comprobación observacional. Y si bien han recibido todo tipo de críticas de parte de los investigadores por su rol un tanto simplificador, además de una puesta en valor de la antiquísima puja entre la cientificidad y la religiosidad, fueron los medios de comunicación quienes le dieron una escena de masividad instantánea probablemente inédita en la historia de los descubrimientos tecnocientíficos. Por eso, el mismo hecho de que se haya promocionado el experimento de aceleraciones de partículas a velocidades inéditas del Large Hadron Collider (LHC) hablando de esta innovación tecnológica como la Máquina de Dios, le dio ha esta investigación un atractivo popular universal en tiempo real que no debe de tener precedentes. Claro que aportarle un toque de espiritualidad ya había aparecido en la divulgación científica que el Premio Nóbel León Lederman hizo del intrigante Boson de Higgs, llamando divina a esta partícula elemental que aún no ha sido observada por las herramientas existentes para corroborar experimentalmente las teorías de físicos como el argentino Daniel De Florian, doctor en Física especializado en colisiones de protones en muy altas energías y con experiencia en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), realizando cálculos teóricos para llegar a la observación del Boson. Con intención de claridad y un cuidado ante cualquier tipo de misticismo, el científico da - en su oficina del Dpto. de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la prestigiosa Universidad de Buenos Aires - algunas claves para entender a la misteriosa partícula y los cambios que pueden traer los experimentos actuales para darle realidad perceptiva.


- ¿Qué importancia científica tiene el Boson de Higgs?
- Inicialmente explicar eso no es algo extremadamente sencillo. En principio, debe decirse que la Física de Partículas Elementales estudia cuáles son los componentes elementales de la materia y como interactúan entre si. Está basado en un concepto bastante sencillo, el de las simetrías. El concepto está en la base de la Ciencia desde sus comienzos, como por ejemplo la idea de que todos los astros orbitan sobre esferas, ya que la esfera es el objeto más simétrico que se puede encontrar. Y las ecuaciones de esta área de la Física están basadas en conceptos de simetría, lo que las vuelve extremadamente sencillas para el que las entiende, además de elegantes. Claro que el problema es que esta idea no permite entender cuál es el origen de la masa de las partículas, porque las masas rompen básicamente y de forma explícita algunas de las simetrías en las que están basadas las leyes físicas. Por eso no las podemos incorporar de forma sencilla en las ecuaciones. Ahí es donde se tuvo que inventar matemáticamente, la existencia de un nuevo objeto, el Boson de Higgs.


- ¿Cómo podríamos definirlo básicamente?
- Es una especie de campo de partículas que embebe todo el espacio-tiempo. Lo permea como si fuese un nuevo éter. Y en su interacción con las partículas, de acuerdo a cuánto y cómo interactúe con ellas, le otorga propiedad de masa. Desde el punto de vista clásico, si uno imagina la masa como un concepto de inercia, en el sentido de que cuanto más masa tenga un cuerpo más fuerza tengo que hacerle para que alcance la aceleración, se puede definirlo de forma newtoniana. Si un cuerpo es colocado en un fluido viscoso y se le imprime una fuerza, la aceleración será menor y el objeto se comportará, por la resistencia, como si tuviese masa mayor. El Boson, simplificadamente, es una especie de viscosidad que impregna todo el espacio y que, por su especial interacción, se ocupa de frenar a las partículas elementales generando un efecto equivalente a la masa inercial. . El problema más grande es que de todas las partículas que forman los elementos fundamentales de la naturaleza han sido encontrados, salvo el Boson.


- Aquí entra en juego el LHC del CERN.
- Sí, justamente una de las metas principales del LHC es descubrirlo, si es que existe tal como lo predice la teoría. Hay dos posibilidades. Que no exista, lo cual sería un problema tan interesante como todos los de la ciencia, o que en realidad suceda lo que pensamos la mayoría de la comunidad científica, que existe pero es tan pesado que aún no pudo ser detectado. Para poder crear una partícula con mucha masa se necesita mucha energía, lo que ahora se alcanzará con el LHC.


- ¿Y qué siente sobre esta pausa técnica?
- Creo que es un pequeño accidente. Pero todo el mundo esperaba que algo sucediese antes de que funcionara a pleno. Es la máquina más compleja que uno se puede imaginar y cuando se la ve es difícil de creer que funcione y ya ha sido un gran paso adelante que hayan sido exitosos los primeros tests. Ahora este pequeño incidente hace que se frene durante unos meses, pero no creo que sea un problema mayor. Que ocurra una falla en la conexión eléctrica, que fue lo que pasó, no es completamente inesperado. Estuve en el 2006, cuando se colocaban los detectores. Son decenas de metros de alto para detectar las partículas más pequeñas del universo, donde todo tiene que estar muy bien ensamblado para que funcione bien.


- ¿Cómo fue para un físico cuyo trabajo es básicamente teórico estar frente a una máquina de este tipo?
- Fue una cuestión de asombro. Es de una magnitud tan grande y es sorprendente que miles de personas que trabajan en el experimento fueran capaces de construir cada uno una parte, lograr poner todo junto y que funcione. Es un logro importante.




- ¿Qué relevancia tienen estos experimentos para el conocimiento humano?
- La Humanidad está buscando desde los comienzos de la civilización entender de qué está compuesta la materia. Desde la idea de que es aire, tierra, agua y fuego, siempre estuvimos tratando de encontrar los elementos más pequeños, fundamentales e indivisibles a partir de los cuales se construye el resto.


- Esos que por mucho tiempo se creyó que eran los átomos…
- Sí. La historia se ha encargado de demostrarnos a lo largo de los últimos doscientos años una gran cantidad de saltos. Pensábamos que teníamos la respuesta, los átomos en un momento, luego el protón y el electrón, más tarde los quarcks. Y de hecho no pensamos que la descripción actual de los elementos sea la final. Lo más probable es que el LHC encuentre un gran número de nuevas partículas elementales, que van a ser tantas que tendremos que pensar seriamente cuáles son los objetos que probablemente las componen. Si hay algo que aprendimos es que hay que tener cierto grado de humildad, ya pasó tantas veces creer que teníamos la teoría final y la descripción absoluta de las cosas! Por eso realizar este experimento nos trae una gran cantidad de consecuencias científicas desde el punto de vista de la investigación básica: o permitirá confirmar ideas o aparecerán cosas completamente diferentes y totalmente inesperadas. Eso sería lo más divertido.



Dimensiones extras



- ¿Hay cambios posibles implicados en la relación espacio materia?
- Desde el punto de vista casi filosófico más que científico, una de las cosas que sucedieron los últimos diez años en la comunidad científica es la posibilidad creciente de que existieran dimensiones extras en el espacio-tiempo. Se viene pensando desde hace mucho y es una necesidad para la Teoría de Cuerdas. Siempre se hablaba de dimensiones extras extremadamente pequeñas, imposibles de observar, de un tamaño menor al milímetro. Son cosas con las que uno cotidianamente no tiene interacción o no puede observarlas, pero un experimento de altas energías sí podría hacerlo. Claro que en los últimos años se empezó a especular que la posibilidad de que eso sea cierto es ínfima. Igualmente el interés académico es extremo, porque si se encontrase algo así, si descubriéramos que el universo tiene más dimensiones que las tres espaciales y la temporal, cambiaría completamente nuestra forma de ver las cosas. Sería uno de esas crisis…



- ¿Un cambio de paradigma?
- Sí, un cambio de paradigma fuerte en muchos sentidos.



- Y en caso de que existiesen esas otras dimensiones, que no sean perceptibles no quiere decir que no interactúen con nosotros, ¿es así?
- Que no sea perceptible quiere decir que efectivamente seguiríamos viendo tres dimensiones espaciales y el resto no. De hecho tienen sus efectos pero los vemos desde nuestra posición de seres de tamaño mucho más grande que esa dimensión. La Física, precisamente, hoy necesita encontrar el objeto fundamental a partir del cual pueda describir el resto de la materia, así como también hallar la Teoría de Todo, para entender todo lo que observamos a partir de una única fuerza. De tal manera que fuerzas que vemos como distintas, como el electromagnetismo y la gravedad, sean simplemente manifestaciones distintas de una misma interacción. Pero si una de ellas es 10 a la 39 veces más fuerte que la otra y son tan distintas cuando las sentimos cotidianamente, ¿cómo pueden venir las dos de la misma fuerza? Ahí la existencia de dimensiones extras podría servir para explicar esa diferencia tan grande, ya que la gravedad interactuaría con todas la dimensiones del espacio tiempo. Nosotros veríamos una gravedad diluida porque buena parte de su efecto se perdería en las otras dimensiones. Igualmente, la posibilidad de que podamos ver esas otras dimensiones y de que existan son muy bajas.



- ¿Pero no sería una respuesta tranquilizadora para la Teoría del Todo?
- Sería útil. Abriría un camino para poder pensar las cosas de otra forma.



- ¿Cuáles son los caminos teóricos alternativos?
- La candidata principal para que se descubra algo nuevo en el LHC es la Supersimetría, la más grande simetría que puede tener un sistema físico, que predice que por cada una de las partículas que conocemos debería existir una compañera supersimétrica, una especie de partícula espejo. Eso sí, suponemos que si existe no es perfecta, que está rota, por lo que esas partículas deberían ser lo suficientemente pesadas como para que no las hayamos observado. La supersimetría, que viene siendo perseguida desde hace decenas de años, podría servir para explicar cuál es la composición de la materia oscura. Se sabe que buena parte del universo es materia que no da luz y puede estar formada por partículas supersimétricas. Si encontrásemos esas partículas con los aceleradores podríamos tener una forma de explicar fenómenos desde las escalas más chicas de la materia hasta fenómenos físicos a escalas más grandes, como los de la Cosmología. Habría una mayor unión entre esos extremos de la física.


- ¿En que etapa se encuentra esta explicación teórica?
- La idea es que esta es la búsqueda final. Si no se encuentra en el LHC podemos decir que no existe. Ya no se pueden escapar más, no puede ser que los objetos sean tan grandes que el LHC no los pueda generar.



- ¿De dónde surge esa certeza?
- La certeza se basa en que análisis indirectos nos permiten inferir que si partículas como el Boson existen, tienen que tener una masa limitada por un máximo. El LHC puede producir objetos con una masa hasta mucho más grande que esos máximos. Y si no se observan es que no existen. No habría manera de compatibilizar su no observación con las mediciones hechas en otros experimentos con entidades observables. En este caso el salto de energía es lo suficientemente grande como para decir: “Si no está acá hay que pensar otra cosa”.




Elementos excitantes


- Se hicieron conocidos comentarios del físico Stephen Hawkins sobre la imposibilidad de encontrar el Boson.
- Stephen Hawkins lo que hizo fue una apuesta con alguien para ver si aparecía o no. Creo que él, en realidad, decía que no quería que apareciera.



- ¿Por qué?
- Porque la peor cosa que nos podría pasar en el experimento es que aparezca el Boson y nada más, porque sabemos que tiene que haber nuevos fenómenos observables. Pero si no se encuentran aquí significa que son energías mucho más grandes que las que podemos lograr por el momento. Entonces van a pasar muchos años hasta que seamos capaces de observar nuevos fenómenos.


- ¿Nos pondría frente a una situación técnica hoy insalvable?
- Nos pondría frente a la peor situación de la Física: tener una teoría que describe todo lo que podemos observar ahora. Salvo el Boson de Higgs, que aparecería eventualmente. Y sería muy aburrido, porque sabemos que nuestra teoría no es suficiente para describir todo el universo, hay cosas que se escapan. Para poder avanzar necesitamos nuevos experimentos, que nos permitan ver nuevos fenómenos que nos inciten a pensar cómo explicarlos con teorías alternativas.


- ¿Eso que no está es lo que genera una suerte de excitación al científico?
- Tal cual. El motor de la Ciencia son esos cambios de paradigma que cuando unos los estudia le parece que fueron traumáticos, pero si a uno le toca vivirlos, creo que van a ser extremadamente excitantes.


- Por lo tanto esta época debe ser un gran tiempo para un físico…
- Sobre todo para los que trabajamos en el tema, que estamos a la espera de ver lo que ocurre. Creo que lo que piensa Hawkins es que ante la situación de que sólo se encuentre el Boson es preferible que no se encuentre nada. Porque no encontrarlo también significa una crisis teórica complicada. Porque es difícil reemplazarlo, nunca hubo una teoría alternativa que funcionara bien. Igual lo más divertido sería encontrar algo completamente inesperado.


- Suele haber una tendencia a preguntarse por la utilidad práctica de los conocimientos. ¿Qué respuesta habría en relación a estos experimentos?
- Hay varias respuestas. Es Física Básica la idea es entender la composición fundamental de la materia, sin imaginarse que ese entendimiento directo tenga una aplicación en lo cotidiano. Pero uno no puede imaginar qué es lo que va a ocurrir tiempo después con ese conocimiento. Cuando Maxwel descubre las ondas electromagnéticas a nadie se le ocurrió que tenía algún interés y hoy no podemos imaginar nada sin ellas, desde la radio a la televisión o el microondas. Por eso no sabemos qué va a ocurrir en cuanto la aplicación directa. Sí es cierto que hay una gran cantidad de aplicaciones tecnológicas relacionadas con el diseño del acelerador, técnicas nuevas que se diseñaron para construirlo. Y eso suele tener aplicaciones automáticas en la industria. Ya se crearon nuevos paradigmas de comunicación en los que, además de compartir información se comparten recursos, a través de una gran cantidad de computadoras conectadas a altísima velocidad. Si bien ya existía, se está llevado a un nivel extremadamente grande y seguramente va a tener influencia en el público en no demasiado tiempo. Baste recordar que el descubrimiento más grande del CERN para la gente fue la WEB, la forma de comunicarse se creó allí porque había una gran cantidad de científicos de distintas instituciones de Europa que necesitaban comunicarse entre sí. Hoy casi nadie que lea esta revista concibe la vida sin Internet.


- Quizás la pregunta sobre la aplicación de estos saberes evidencie la fuerte presencia en nuestra cultura de cierto utilitarismo tecnológico. Esa tendencia no debería opacar la dimensión filosófica y científica, ¿es así?
- Por supuesto. De qué está compuesta la materia es una de las preguntas que se hace la Humanidad desde sus comienzos. La Ciencia, más allá de las aplicaciones, se va a seguir haciendo esas preguntas y va a tratar de resolverlas.


- ¿Y qué opina del nombre La partícula de Dios?
- Ese fue un error en realidad. León Lederman, Premio Nóbel en 1988, escribió un libro y no se le ocurrió mejor idea que ponerle de título La partícula divina o La partícula de Dios, creo que con la intención de hacerlo más popular y vender más ejemplares. Es un nombre atractivo, pero no hay ninguna relación entre un experimento científico y la religión. La historia ha demostrado que no es ni siquiera conveniente, por ser generoso.



- ¿Porque así no le aporta nada ni a la ciencia ni a la religión?
- Claro. Porque Ciencia y Religión son cosas totalmente diferentes. El mecanismo de validación es opuesto, el de la Ciencia es la experiencia, uno contrasta sus ideas con la experiencia, la confirma temporariamente o la refuta. La religión no tiene nada que ver con eso, es algo irracional, basado en la creencia, en la fe, errónea desde mi punto de vista.


- Y una lectura muy apresurada de estas denominaciones hasta podría hacer pensar que se encontró una forma experimental de hallar a Dios.
- Es que la existencia de Dios no se puede probar ni desprobar, porque va por otro carril completamente diferente. Pero es verdad que el nombre Máquina de Dios al LHC fue puesto por los medios, no por los científicos. Es extremadamente ganchero, de eso no hay duda.


- Las dudas están aún en la aparición o no del Boson.
- Me dedico a la Física Teórica, a la Fenomenologia, trato de escribir los resultados experimentales de una manera teórica exitosa, tratando de dar la mejor descripción posible. Tengo constante interacción con teoría y experimento. Trabajé en el CERN en la división teórica, hice muchos cálculos relacionados con la posibilidad de observar el Bosón de Higgs, así que estoy a la espera. Me gustaría que se encuentre para confirmar los cálculos que hice. Pero cualquier cosa que pase va a ser divertida.






Gran Colisionador


“El Gran Colisionador Hadrónico es un acelerador de protones, uno de los componentes del núcleo atómico, construido en el laboratorio CERN de Ginebra, Suiza. Haces de protones van a recorrer los 27 kilómetros de circunferencia del LHC casi a la velocidad de la luz, cruzando constantemente la frontera entre Suiza y Francia. Y van a terminar colisionando con una energía total de 14 TeV, la energía que adquiriría una partícula al pasar por una diferencia de potencial de 14 billones de voltios”, explica de Florian en un documento de difusión. Sobre la función y utilidad de los acelereradores explica: “Durante casi un siglo, estas máquinas han sido la herramienta más útil para estudiar la estructura fundamental de la materia y comprender su composición elemental. Utilizando partículas aceleradas a energías que son un millón de veces menores a las que serán alcanzadas en el LHC, no sólo pudo conocerse que los átomos están compuestos por electrones orbitando alrededor de un núcleo, sino que además los núcleos están constituidos por protones y neutrones”. Luego acelera su discurso, da la entrada a los descubrimientos de los quarcks como los más recientes elementales de la Física y se aventura a desestimar las teorías apocalípticas sobre el gran acelerador. “Cuando se hace un experimento que alcanza energías más altas que las logradas anteriormente siempre surge la duda acerca de si esas colisiones podrían crear fenómenos peligrosos”, explica y asegura que no tiene base real el temor a que se estén creando agujeros negros microscópicos: “Estos agujeros negros tienen poca relación con los auténticos agujeros negros cosmológicos ya que su masa es ínfima y de existir se evaporarían rápidamente”. Para dejar a todos más tranquilos, pone a la misma naturaleza como prueba: “los rayos cósmicos, haces de partículas que provienen del espacio exterior, tienen energías tales que se producen colisiones entre ellos por el equivalente a diez billones de LHC por segundo”.


El padre y los tíos


El mecanismo de Higgs, lo que da masa al vector Bosón, fue teorizado en 1964 por Peter Higgs, François Englert y Robert Brout que trabajaban en las ideas de Philip Anderson. También lo hicieron de forma independiente G. S. Guralnik, C. R. Hagen y T. W. B. Kibble. Higgs propuso que la existencia de una partícula escalar masiva podría ser una prueba de la teoría. Steven Weinberg y Abdus Salam fueron los primeros en aplicar el Mecanismo de Higgs a la ruptura espontánea de simetría electrodébil.

1 comentario:

Anónimo dijo...

Lederman nombro a la particula "particula maldita", lo de particula de dios no fue cosa suya. saludos.
Edgar