domingo, 8 de julio de 2012

O bosón de Higgs: un descubrimento fundamental


Non é a ciencia un dos temas máis habituais deste blog, aínda que sempre se tratou de escribir algo sobre aqueles feitos que se consideraron máis relevantes nese ámbito. Sirvan de exemplo casos coma o do accidente de Fukushima ou o do experimento OPERA. Esta semana anunciouse desde o CERN, en Xenebra, a observación dunha nova partícula fundamental compatible co bosón de Higgs, e isto pode ser un fito fundamental na historia da Física, na nosa comprensión da estrutura do universo e na das forzas fundamentais que o regulan. Peter Knight, prestixioso físico británico, sinalou que este descubrimento ten tanta importancia para a Física como o tivo o do ADN para a bioloxía.
Para escribir sobre todo isto solicitei axuda ó meu amigo o profesor Ramón Cid Manzano, editor, xunto co seu fillo Xabier, da web Achegándonos ao LHC. Ramón Cid estivo en diversas ocasións no CERN e participou nalgún dos seus programas, e o seu fillo Xabier forma parte como investigador do Grupo de Física de Altas Enerxías da USC que se atopa en Xenebra. Deste xeito, se poucos deben estar máis ó tanto  dos experimentos que se realizan no CERN, bastantes menos serían os capaces de explicarnos de forma sinxela a importancia deste descubrimento.

A PARTÍCULA DE HIGGS, OU COMO UNHA EUROPA DOS CIDADÁNS É POSIBLE. Ramón Cid Manzano

A verdade é que entre todos os disgustos que a economía non trae un día si e outro tamén, as portadas dos periódicos do día 5 de xullo déronos unha pequena tregua. A Ciencia foi a protagonista; certamente unha parte dela resulta bastante incomprensible para o cidadán medio, pero a todos seduce cando trata de asuntos tan profundos.
A “partícula de deus” está aquí... ou case. Foi un Premio Nobel, Leon Lederman que escribiu un libro hai unhas décadas insistindo en que ou atopábamos esa partícula ou a nosa comprensión do que nos rodea está errada. Pensou en chamarlle a esa partícula “the goddamn particle” (algo así como “a partícula endemoñada”) polo difícil de ser detectada, pero o editor do libro pensou que vendería máis se o titulaba “the god particle”, e dicir a “partícula divina”. Lederman aceptou ese novo alcume porque en efecto se trataba da partícula máis transcendente que quedaba para pechar un edificio teórico que funcionaba moi ben (a outros moitos físicos, a idea de mesturar ciencia e relixión non lles gustou moito).
Entremos en materia. Se quen isto está lendo quere mover o teclado custaralle máis que se quere mover o rato. Dicimos que o primeiro ten máis masa que o segundo. Por outra parte, como todo está formado de átomos, o teclado ten unha masa que é a suma das dos átomos que o forman. E como os átomos están formados por electróns, protóns e neutróns, pois concluímos que a masa do teclado é a suma das masas de todos os electróns, protóns e neutróns que o forman.
Sendo un pouco máis preciso, sabemos hai xa corenta anos que en realidade os protóns e neutróns están a súa vez formados por outras partículas máis simples chamadas “quarks”. En particular, un protón está formado por tres quarks (dous do tipo “u” e un do tipo “d”, é dicir, un protón = uud)., e un neutrón están formado tamén por tres quarks (dous do tipo “d” e un do tipo “u”, é dicir, un neutrón = udd).
Así que, dunha forma un tanto simplificada, podemos dicir que a masa do teclado, e de vostede mesmo, é a suma das masas dos electróns e dos quarks (“u” e “d”) que forman o ese corpo.
Dado que os electróns e quarks son obxectos moi “pequenos” reciben o nome de partículas, e os físicos que estudan as súas propiedades reciben o nome de “físicos de partículas”.
Pero, por que as partículas teñen masa? E, por que teñen as masas que teñen? E, por que hai tales diferenzas de masas entre unhas e outras?... Por que o teclado ten masa?
Por exemplo o quark “d” ten máis masa que o “u”, e calquera destes dous teñen máis masa que o electrón.
Estas preguntas parecen estrañas para os que non traballan en física fundamental, porque a maioría pensan que é unha cualidade desas partículas e xa está. Pero os físicos teóricos non se contentan con un “porque si”. Propoñen modelos, esquemas, construcións mentais, para poder contestar a preguntas como esa.
Nos anos 60 do século pasado, e de forma case independente, uns cantos físicos de partículas teóricos (Peter Higgs, Francois Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Dick Hagen e Tom Kibble), propuxeron unha explicación para comprender o asunto este das masas das partículas. Presentaron unha mecanismo mediante o cal as partículas adquiren masa. A principios dos setenta comezou a popularizarse esa explicación co nome de “mecanismo de Higgs”, probablemente por ser o apelido máis fácil de pronunciar e lembrar.
Vexamos. Que queremos dicir con “masa”. Pois é unha propiedade que mide a dificultade que presenta un obxecto a cambiar o seu estado de movemento (ás veces dicimos que a masa mide a “inercia” dos obxectos). Así, se precisamos o dobre de forza para que un corpo comece a se mover, en comparación con outro, iso significa que o primeiro ten dobre de masa que o segundo. Tomamos un patrón (un cilindro de iridio e platino de tamaño preciso) e lle damos o valor de 1 kg de masa, e o resto se compara con el. Así lle asignamos o valor da masa a todos os obxectos a partir dese patrón.
Para a inmensa maioría dos fenómenos que nos rodean esta descrición abonda. Para algúns máis meticulosos, poden chegar un pouco máis aló e dicir, se un corpo ten medio quilogramo significa que a suma das masas dos átomos que forman ese obxecto é a metade da suma das masas dos átomos que forman o patrón de 1 kg.
Pero isto non chega para os físicos de partículas. Queren saber de onde lle ven a masa a cada átomo. Ou a cada electrón e a cada tipo de quark. E tamén queren saber por que esa diferenza de masas entre unhas partículas e as outras.
Pense no seguinte: teño un electrón e un quark en medio do espacio interestelar, lonxe de calquera outra cousa. Pregunta: por que me costa centos de veces máis mover un quark que un electrón? Se algún está pensando en algo como, “porque o electrón é máis pequeno ou o quark máis grande”, que o esqueza. Nesas escalas non existe o concepto tamaño. Dito doutro modo, esas partículas son obxectos puntais, para os que iso do tamaño carece de sentido. Tampouco vale algo así como que o quark é máis “denso”. Este é un concepto a escala grande, e non ten sentido cando falamos de partículas elementais.
Volvamos a Higgs, Englert, e compañía. Propuxeron que todo o espazo está cheo dunhas partículas invisibles para nós que agora chamamos partículas de Higgs (ou, máis tecnicamente, bosóns de Higgs, aínda que isto último non é de interese aquí). Outra forma habitual de chamarlle a isto é dicir que o espazo está cheo dun campo: “o campo de Higgs”. Quizais axude a isto pensar noutros campos máis coñecidos, como o campo gravitacional creado pola Terra, ou o campo magnético creado por un imán. A idea de campo é unha construción dos físicos que axuda a entender como se producen os efectos que uns obxectos causan noutros. Por exemplo, a Lúa está sometida ao campo gravitacional da Terra (e viceversa).
Por certo, se algún se está a preguntar, por que non vemos as partículas de Higgs ou o campo de Higgs, a resposta é a mesma que se preguntamos por que non vemos o campo gravitacional da Terra. Pero si que o percibimos. Ese campo gravitacional é o responsable de que nos custe levantar un obxecto, e o de Higgs é o responsable de que nos custe desprazalo se está parado.
Volvamos ao campo de Higgs. Cando a luz (se se quere, as partículas de luz, chamadas fotóns), se moven nese campo, que todo o inunda, non senten ningunha “conexión” (se se quere interacción) coas partículas de Higgs, e por iso van á maior velocidade que a natureza permite. Sen embargo, cando é un electrón o que se move, se “conectan” a el certo número desas partículas e polo tanto presenta un certo problema para se desprazar. Esa dificultade para se mover significa que adquire masa. Se agora temos un quark “u” presenta máis conexión aínda e por tanto máis masa.
Xuntando o “puzzle”, os átomos, e todos os obxectos que eles forman, ao se mover polo espazo, cheo de partículas de Higgs, presentan máis ou menos dificultade para se mover. 



Un exemplo visual sería botar diferentes tipos de pelotas na area da praia e tentar movelas sobre ela. Segundo o tipo de pelotas, unhas se desprazan máis facilmente cas outras. A area é o campo de Higgs, e cada areíña é a partícula de Higgs. Este é o mecanismo proposto. Claro, que como sempre ocorre en Física, as ideas hai que escribilas na linguaxe das matemáticas, e iso foi unha faena complexa e que deu lugar a ecuacións complicadas e a algunhas consecuencias importantes. As que aquí nos interesan son dúas, que esa partícula de Higgs ten que ser dun tipo chamado “bosón” e que a súa masa ten que ser máis de cen veces a do protón.
Entón, como podemos “fabricar” unha partícula como esa?
Tentouse en dúas máquinas (aceleradores) grandes chamadas LEP e Fermilab, pero a máquina destinada a acadar este fito foi o LHC que funciona hai un par de anos en Xenebra (Suíza). Fanse colidir miles de millóns de protóns contra outros tantos que van en sentido contrario, e a tal velocidade que dan lugar a creación de centos de partículas que só así poden ser creadas. Unha deses partículas e o bosón de Higgs, que inmediatamente se desintegra para dar outras máis lixeiras. O que fan dous dos detectores do LHC, chamados ATLAS e CMS, é seguirlle a pista a esas partículas que proceden da desintegración do bosón de Higgs, para demostrar que foi creado, e afirmar así que de verdade existe.



Na imaxe temos unha recreación dunha colisión protón-protón para dar unha partícula de Higgs. Os dous sinais vermellos son dous fotóns de moita enerxía que proceden da desintegración dunha partícula de Higgs.
Para iso é preciso primeiro analizar centos de miles de sucesos de entre centos de miles de millóns, e ter un número de candidatos que cumpran as condicións. Pois ben, o día 4 de xullo de 2012 os equipos de CMS e ATLAS presentaron os seus resultados concluíndo que hai evidencia de que unha nova partícula, cunha masa dunhas 125 veces a do protón, se ten creado, e que hai indicios de que do seu comportamento se poda deducir nos próximos meses que se trata da partícula de Higgs.
Se é así, a Física terá completada unha viaxe que comezou hai case cincuenta anos, e teremos unha mellor comprensión de como funciona a natureza. Desde os anos setenta, o modelo físico no que están integrados os quarks, os electróns e outras cantas partículas máis, incluída a de Higgs, recibiu o nome de “Modelo Estándar” da Física de Partículas. Co esperado descubrimento de hai uns días, se se ratifica dentro duns meses, poderemos dicir que o “Modelo Estándar” queda totalmente establecido.
Digamos que coas enerxías que están presentes no universo actual e accesible aos nosos instrumentos, ese modelo danos cumprida resposta ás preguntas que queiramos facer sobre os fenómenos que ocorren dentro del.
Non obstante, falta por comprender con precisión que ocorreu nos primeiros instantes do universo; non se sabe como incluír a gravidade no modelo estándar, e tampouco se sabe que é iso da enerxía escura e a materia escura que se teñen proposto para explicar feitos descubertos hai un tempo. Así que, seguro que no futuro este modelo deberá ser substituído por outro mellor que explique os enigmas que quedan por resolver. A Física ten moito traballo por diante.
Hai tres cousas coas que quero rematar. Unha é a presenza de científicos e científicas de Galicia neste marabilloso reto. Nesa institución que alberga todo este experimento (CERN - Centro Europeo de Investigación Nuclear), hai unhas ducias de físicos e enxeñeiros e informáticos galegos que están en primeira liña de investigación, e o Departamento de Física de Partículas da USC xoga un papel importante na Física que se está a desenvolver nesa institución. A segunda cousa, é que toda esa investigación da lugar a tecnoloxías de todo tipo que acaban por chegar a todos nós. O internet actual coa linguaxe html (www) naceu no CERN, pero tamén o TAC, e o manexo da superconductividade que é a base dos RMN dos hospitais, e moitas outras cousas. Deixar de invertir en ciencia é un grave erro para o futuro. En terceiro lugar, o CERN, que naceu hai case sesenta anos, é unha demostración de que cando os europeos traballan xuntos a prol de obxectivos comúns no que o diñeiro é un instrumento e non un fin, producen grandes beneficios para toda a comunidade. Alí os países quedan nun segundo plano, o que importa é a Europa dos cidadáns, e non a dos mercadores.