¿Por qué enterramos 250 millones de euros en imanes? (Ó qué son el LHC, el Bosón de Higgs y demás)

LHC, a parte de ser el tubo de 27 km. que está unido a la impresionante imagen de arriba, son las siglas de Large Hadron Collider (gran colisionador de hadrones).

¿Qué son los hadrones?. Bien, los hadrones son un tipo de partícula subatómica. La característica de los hadrones es que están formados por quarks: partículas fundamentales que se unen de distintas maneras y forman distintas partículas.

Cuando hablo de partículas fundamentales me refiero a partículas que ya no se pueden dividir en más partes: que son los constituyentes últimos.

Familias de partículas. Todo el universo que conocemos está formado por estas partículas y sus combinaciones.

Como vemos en la imagen anterior, las partículas elementales que conforman el universo son:

·Leptones: partículas que transportan fundamentalmente masa. Forman parte de una familia llamada Fermiones cuyo espín es semientero (una fracción).
·Bosón: partículas que transportan fundamentalmente energía. Su espín es entero.
·Quark: existen seis tipos de quarks: arriba (u), abajo (d), encanto (c) extraño (s), cima (t) y fondo (b). Las distintas formas de combinar los quarks forman distintos tipos de Hadrones.

(Casi) todas esas partículas tienen sus correspondientes antipartículas, que son partículas con la misma masa pero carga inversa. Así, los quarks se pueden combinar de tres en tres (formando bariones -como los protones y neutrones- o antibariones -si se juntan tres antiquarks) o como un quark y un antiquark (formando mesones). Así de simple es el universo…

Pese a tal “simpleza”, apuesto a que la definición de Hadrón ha sido concreta pero un tanto… abstracta, por asi decirlo… Pues bien: los componentes del núcleo atómico (protones y neutrones) son un tipo de Hadrones, y los propios núcleos atómicos también lo son. Por lo tanto,el LHC se dedica a poner a toda pastilla núcleos atómicos o nucleones (los citados protones y neutrones), vale, pero… ¿para qué?.

Resulta que los físicos somos como chiquillos: los ponemos a toda pastilla “solo” para verlos chocar…

Supongo que cada vez va quedando todo menos claro… ¿Para qué querríamos romper partículas subatómicas?. ¿Si rompemos cosas tan pequeñas en cosas más pequeñas aún las podemos ver?. Bueno, realmente no rompemos las partículas: simplemente jugueteamos con ellas.
Nrmalmente, los núcleos de los átomos y sus constituyentes son estables. Esto significa que podrían estar un tiempo infinito sin desintegrarse. Puntualizaré que los protones mantienen una pequeña duda sobre si son estables o se desintegran pasada una enorme cantidad de tiempo (mínimo, unos mil quintillones de años, es decir, un uno y 33 ceros detrás) pero a efectos prácticos, los consideraremos estables. Existen otras partículas, como por ejemplo el archifamoso bosón de Higgs, que al contrario que los nucleones se desintegra en 0.000000000000000000000156 segundos. Es decir, en un segundo se desintegrarían unos seiscientos cuarenta y un trillones de bosones de Higgs.

Esas partículas que duran tan tan tan poco son las que todavía siguen ocultas. Son las que aún no hemos podido “ver”. Por lo que partimos de partículas estables, las colisionamos, y por las Leyes de Conservación de Partículas se crean infinidad de otras partículas, la mayoría inestables, por lo que en el instante tras el choque podemos “ver” esas esquivas partículas.

Pero para terminar de aclarar el párrafo anterior: ¿qué son esas leyes de conservación?. Pues bien, para ello definiremos las partículas como un ente físico caracterizado por ciertos parámetros físicos. Existen parámetros externos e intrínsecos. Todos esos parámetros se tienen que conservar antes y después de la colisión. Si se conservan esos parámetros, se cumplen las leyes de conservación y por lo tanto pase lo que pase dentro de esa “legalidad” por raro que sea, en el mundo de la física de partículas es posible.

Los parámetros externos son:

·Energía. Se define la energía como una relación entre la masa de la partícula y la velocidad de la misma. Entonces, una partícula en reposo (cuya energía está dada por la famosísima ecuación de Einstein E=mc2) puede desintegrarse en varias partículas en movimiento siempre y cuando la suma de las energías en movimiento de las partículas sea igual a la energía de la partícula inicial en reposo.
·Momento. El momento de una sola partícula es el producto entre la masa y la velocidad. El momento de dos partículas involucra aparte de ambas masas y velocidades, el ángulo que las separa. Por lo tanto, la partícula en reposo de antes, cuyo momento es nulo (no tiene velocidad) se dividirá en dos partículas de masas inferiores con cierta velocidad y que se separan cierto ángulo. Conociendo la partícula inicial podemos conocer tanto la masa, como la velocidad, como el ángulo que separa las partículas que se crean.

Esto nos permite en teoría que, como conocemos las masas y las velocidades de las partículas que colisionan podamos conocer los datos de las partículas que se crearán en esa colisión. Esto es uno de los principios básicos del acelerador de partículas: si la suma de la energía de los dos núcleos atómicos que colisionan es de 14TeV (una medida de energía), la suma de las energías de las miles de partículas que se crearán tendrá que ser también de 14TeV.

Los parámetros internos de una partícula dependen de los quarks de los que está formada dicha partícula. En la tabla de abajo vemos las propiedades de todos los quarks. Hemos de añadir que el espin de cada uno de los quarks es de (1/2) con el signo de su carga. Por ejemplo: los protones están formados por un quark abajo y dos arriba (uud). Si tomamos las propiedades de esos quarks, la carga es la suma de la de sus tres quarks: (2/3)+(2/3)-(1/3)=(3/3)=+1 por lo tanto tiene una carga de +1 (en unidades de carga del electrón). El espín del protón será (1/2)+(1/2)-(1/2)=(1/2).

Por otro lado, el Kaón neutro está formado por un antiextraño y un abajo. Por lo tanto, la carga será respectivamente (1/3)+(-1/3)=0. Por lo que es neutro. El espín será de nuevo respectivamente (1/2)+(-1/2)=0.

Así, solo con saber las propiedades de las partículas podemos conocer su composición o viceversa.

Nombre, símbolo, carga, número bariónico y número leptónico de los quarks.

 

Volviendo al tema, en una colisión se tienen que conservar los siguientes parámetros internos:

·Carga: La suma de las cargas (con su signo) de todas las partículas creadas tiene que ser igual a la carga inicial de las partículas que han chocado.
·Espín: El espín es algo bastante complicado. Normalmente se ha dicho que el espín es una forma de llamar al giro de una partícula como si fuese una pelota de tenis. No, no es tan simple. De hecho, el espín es un concepto que nace de la inclusión de la mecánica relativista en la mecánica cuántica y que no tiene análogo clásico: no existe una imagen mental que nos ayude a describirlo. Es un concepto que viene de la superposición de diferentes componentes en la función de onda de la partícula. La función de onda es la forma en la que describimos físicamente a la partícula y ésta puede estar formada, por ejemplo, por componentes A y B de forma que hasta que exista algo que interactúe con dicha función de onda -un observador- no se decidirá entre el estado A y B y estará en “ambos estados al mismo tiempo”: para los que les suene el gato de Schrödinger: el gato estará vivo y muerto a la vez. Para que veáis la rareza del “giro” del espín, un electrón necesita girar 720 grados para volver a la misma posición, en vez de los 360 habituales.
·Números bariónicos y leptónicos: Esto es, si recordamos la clasificación de las partículas, que la cantidad de bariones y leptones que hay antes de la colisión tienen que ser los mismos que los que hay al final.

Hay otros parámetros como son el isospín, la extrañeza, la paridad, la simetría etc. que solo se conservan para interacciones entre ciertas fuerzas, pero no entre otras… Pero el tema de la conservación de las fuerzas da para otra entrada entera, asi que continuaremos en linea recta por el acelerador de partículas…

Resumiendo lo visto por ahora: el acelerador de partículas es capaz de acelerar un tipo de partículas a velocidades extremadamente cercanas a la de la luz y hacerlas colisionar entre sí para ver qué partículas se crean y, conociendo las leyes de conservación de dichas partículas, clasificar las que conocemos y ver si existen algunas desconocidas o, en un punto medio, ajustar datos experimentalmente sobre partículas ya conocidas.

Desde un punto de vista más realista, lo que hace el LHC es acelerar grupos iones pesados (átomos de plomo sin sus electrones, por ejemplo) alrededor

Esquema del LHC y sus detectores.

de su circunferencia completa en sentidos opuestos y cuando están a altísimas velocidades se hace coincidir su recorrido y colisionan cientos de veces por segundo en varios detectores colocados por la circunferencia del acelerador.

Como estamos acelerando grupos de iones pesados (y no una sola partícula) es bastante complicado saber exactamente qué partículas han interactuado entre si, por lo que no conocemos demasiados datos intrínsecos de las partículas, pero si tenemos conocimiento exacto de los datos externos.

Las imágenes de una colisión de partículas son algo tan sencillito de “leer” como esta de aquí abajo:

Si no sabemos todas las condiciones intrínsecas iniciales y con todo este follón de lineas… ¡Cómo podemos ser capaces de averiguar qué es lo que pasa ahí dentro! Bueno; podemos ver que hay partículas rectas, partículas curvas, líneas rojas y barras amarillas. Bien, depende de lo que se pretenda buscar, necesitamos prestarle atención a una cosa u a otra. Antes de ver todo lo que se pretende aclarar con el LHC vamos a explicar qué son cada una de estas líneas y cómo funcionan los detectores que las dibujan.

Las lineas amarillas finas y curvadas que salen desde el centro de la circunferencia son las trazas de las partículas. Esas líneas muestran la trayectoria que ha seguido la partícula desde que se ha producido la colisión. Esas trazas se detectan gracias al detector interno. El el caso del ATLAS, este detector está compuesto de 1744 placas muy finas de sílice separadas que, cuando son atravesadas por una partícula se produce una corriente eléctrica en un punto de la placa -de forma similar que ocurre con las CCD de las cámaras Reflex- que permite identificar la posición de la partícula. Uniendo los puntos en los que se ha producido la corriente eléctrica podemos trazar la línea que ha seguido la partícula. Además, esta zona está bañada por un campo magnético que hace que las partículas con carga positiva se desvíen hacia un lado, las partículas con carga negativa hacia otro y las neutras sigan un camino recto. Además, en función de la masa de las partículas la curva será más pronunciada o menos (Hola alumnos de 2º de Bachillerato. ¿Recordáis el radio del Espectrómetro?). Conociendo el campo electromagnético que creamos podemos conocer la masa, la carga y otras propiedades de la partícula a partir de la trayectoria que recorre.

Las barras amarillas situadas encima de la circunferencia azul miden la energía de ciertas partículas. Esto se mide con los calorímetros, que son pequeñas baldosas de acero o plomo enfriadas casi al cero absoluto (-273ºC) estructuradas en forma de acordeón en las que, al chocar las partículas pierden su energía y la transforman en calor. Midiendo la cantidad de calor generado, podemos determinar la cantidad de energía que tenía la partícula antes de “esfumarse” entre el metal.

Las barras rojas nos muestran las trayectorias de los muones: partículas elementales pertenecientes a los leptones que básicamente son un electrón 200 veces más pesados. Los muones son partículas que solo se crean con una cantidad enorme de energía. De echo, si no fuera por la gran energía que el LHC le da a las partículas, los únicos muones que llegarían a la tierra provendrían de las reacciones de fusión del Sol y de los misteriosos rayos cósmicos. Su detector es el espectrómetro muónico. Si bien el funcionamiento de este aparato es bastante más complicado de explicar, se puede decir que no dista demasiado del detector interno.

Después de acelerar los átomos de plomo a enormes velocidades, de hacerlos chocar y de hacer la foto, el detector interno nos deja ver cuál ha sido la trayectoria de las partículas y, las partículas ya estudiadas pueden ser clasificadas por su cantidad de giro determinado (que recordemos que depende de la masa y de la carga de la partícula, que son propiedades únicas de cada una). Los calorímetros nos permiten medir la energía total que llevan casi todas las partículas y el espectrómetro muónico nos permite completar los datos con la trayectoria y la energía de los muones. Cuando ya tenemos todo eso… ¿Cómo se descubren cosas nuevas con este aparato?. Pongamos varios ejemplos.

El LHC, entre muchas otras funciones, quería ser la máquina que descubriese una nueva partícula llamada Bosón de Higgs, y lo ha hecho. ¿Cómo se ha hecho esto?.

·Primero: se calcula de forma teórica ciertas propiedades que la partícula debería tener.
·Segundo: se aplican las leyes de conservación y se determinan diferentes formas en las que esa partícula se puede desintegrar. Cada una de las formas en las que se puede desintegrar se llaman modos. En la gráfica de abajo se ven las distintas formas en las que, de forma teórica, se espera que se pueda desintegrar el Bosón de Higgs. Aunque he de decir que puede haber otros modos de desintegración desconocidos al no conocer con exactitud todas las propiedades de la partícula.

Modos de desintegración del bosón de Higgs

Por lo tanto, aunque no podamos ver el Bosón de Higgs en particular, si podemos ver las partículas W+W-, Tau-Antitau, Z, fotones etc. o los respectivos productos de éstas y por lo tanto, si somos capaces de observar, por ejemplo, un par ZZ probablemente provenga de la desintegración de un Bosón de Higgs.

En la foto se puede ver, en la esquina superior derecha un muón y en la esquina inferior un chorro de energía. Este chorro de energía puede provenir de una partícula Tau y el muón de otra si en ambas desintegraciones se liberase un neutrino (que son invisibles al detector)

Posible desintegración de un Bosón de Higgs.

En la imagen de arriba podemos ver en la esquina superior derecha un muón. En la esquina inferior podemos ver un chorro de energía. Si conocemos las leyes de conservación sabemos que el leptón Tau se puede desintegrar en un 64% de las ocasiones en un chorro de hadrones bastante energéticos y un neutrino, en un 18% de ocasiones en un muón y dos neutrino y en otro 18% en un electrón y dos neutrinos. Por lo tanto, es probable que si hay dos elementos que pueden provenir de una misma desintegración (la de los leptones Tau), lo que haya ocurrido sea que ahí se haya producido un par de leptones tau. Si miramos la tabla de posibles desintegraciones del bosón de Higgs, un 6% de las veces se desintegra en dos leptones Tau, por lo tanto, posiblemente, en esa imagen hemos capturado un Bosón de Higgs.

Otra posible desintegración de un Higgs

En este segundo caso vemos dos pares de muones. Si miramos partículas que se pueden desintegrar en un par de muones encontramos que los bosones Z se pueden desintegrar en un par de muones. Si miramos cómo se puede desintegrar el Higgs, vemos que se puede desintegrar en un par de bosones Z. Por lo tanto, ésta es, posiblemente otra foto del bosón.

 

Pero aunque podamos hacerle fotos…  ¿Podemos determinar el resto de propiedades de la partícula?. Si. Faltan dos elementos por determinar del Bosón de Higgs: el espín y la masa. Ambas cosas se pueden determinar combinando cientos y cientos de eventos (colisiones en las que el Higgs está probablemente presente). Al unir todos esos eventos podemos obtener un gráfico como este:

Gráfica de la masa del Higgs.

Estas gráficas estilo “bandera de Brasil” -aunque personalmente, creo que están un tanto anticuadas- son a primera vista más vistosas. Expliquemos, primero, qué es cada uno de los ejes.

El eje vertical -de forma muy simplificada- es el cociente entre la probabilidad de que exista una colisión sin el Higgs entre la probabilidad de que exista con el Higgs. La probabilidad de la colisión con el Higgs depende de la masa de la partícula.

El eje horizontal tiene el valor de la incógnita: la masa del Higgs.

La línea discontinua es la predicción teórica sin Higgs y teniendo en cuenta los datos de fondo (por así decirlo, teniendo en cuenta el eco que existe y que puede dar datos falsos). La banda verde y la amarilla es el espacio por el cual puede variar la línea observada en la que hay un 95% de certeza de que tampoco exista el Higgs.

La linea continua determina los datos observados.

Podemos ver cómo la línea de los datos observados es muy fluctuante (es como una montaña rusa) pero solo hay un caso en el que sobresale de forma prominente de la línea amarilla. Mientras no se salga de la línea amarilla podemos suponer que el Higgs no existe, y que su desviación respecto a la línea teórica es debida a pequeños errores experimentales y otros. En el punto en el que sale de forma prominente ya se rinde a la evidencia: esa línea sólo puede estar ahí, si el Bosón de Higgs está ahí. El pico máximo es la masa que más probablemente tiene el bosón.

Gracias al LHC ya hemos determinado que existe algo que se desintegra de la forma que se predice en el Bosón de Higgs y que la masa de ese algo es de unos 125 GeV/c².

 

El LHC ha ayudado a descubrir el Bosón de Higgs; pero aún puede hacer muchas cosas más. Más o menos todo se hace igual: se elabora una teoría y se obtienen las implicaciones que ésta tendría en las partículas. Las dimensiones extra o los micro agujeros negros deberán producir un defecto de energía total (la energía de colisión será mayor que la energía observada). La supersimetría o la gravedad cuántica se basan en otras partículas de las que, al igual que del Higgs conocemos ciertas propiedades y con el LHC podemos esclarecer las otras (en el caso de que existan).

 

Pero una pregunta más alejada de la física es: ¿para qué nos sirve descubrir el Bosón de Higgs?, ¿y los gravitones ó la supersimetría?. Bien. Quizás cuando se estudiaban las ondas de alta frecuencia para los radares no se podría imaginar nadie que acabarían siendo útiles para cámaras Doppler (esas que te multan si te pasas de velocidad), que fueron la base para los microondas y muchas otras cosas.

O quizás tampoco se hizo una gran fiesta cuando un señor llamado Paul A. M. Dirac predijo la existencia de la antimateria; y ahora es la base del funcionamiento de la Tomografía por emisión de Positrones (PET), que es una de las herramientas más potentes en el diagnóstico y estudio oncológico y se está asentando con mucha fuerza en la neurología y en la cardiología.No creo que sea ya necesario defender la ciencia básica. Quién sabe si conocer el mundo de las partículas nos permitirá en un futuro una energía mucho más barata, viajes interestelares, cura de enfermedades, robótica del tamaño molecular, computación potentísima con ordenadores cuánticos…Rindámonos ante la gigante catedral de la ciencia de lo más pequeño…

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2 comentarios el “¿Por qué enterramos 250 millones de euros en imanes? (Ó qué son el LHC, el Bosón de Higgs y demás)

  1. […] ¿Por qué enterramos 250 millones de euros en imanes? (Ó qué son el LHC, el Bosón de Higgs y dem… […]

  2. […] siquiera un insignificante virus se define como objeto cuántico. Los objetos cuánticos son las partículas elementales, las partículas formadas por dichas partículas elementales y los átomos que forman las […]

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