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El nacimiento del CERN y hacia donde nos lleva

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (3)

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En 1.949, el Físico francés Louis de Broglie, que gano el premio Nóbel, propuso construir un laboratorio europeo de Física de partículas. Su idea caló hondo en la comunidad internacional y, tres años más tarde 11 países europeos dieron el visto bueno y el dinero para construir el CERN, inaugurado en Ginebra en 1.954 y, al que tanto debe la Física.

Los aceleradores de partículas son un gran invento que ha permitido comprobar (hasta donde se ha podido, al menos), la estructura del átomo. En el acelerador del Fermilab, por ejemplo, un detector de tres pisos de altura que ha costado unos ochenta millones de dólares capta electrónicamente los “restos” de la colisión entre un protón y un antiprotón. Aquí la “prueba”, el “ver”, consiste en que decenas de miles de sensores generen un impulso eléctrico cuando pasa una partícula.

El Acelerador de Partículas LHC es una Obra inmensa que ha construido el SER Humano para saber sobre la Naturaleza de la materia y…

Todos esos impulsos son llevados a procesadores electrónicos de datos a través de cientos de miles de cables. Por último, se hace una grabación en carrete de cinta magnética codificada con ceros y unos. La cinta graba las violentas colisiones de los protones y antiprotones, en las que generan unas setenta partículas que salen disparadas en diferentes direcciones dentro de las varias secciones del detector.

La ciencia, en especial la física de partículas, gana confianza en sus conclusiones por duplicación; es decir, un experimento en California se confirma mediante un acelerador de un estilo diferente que funciona en Ginebra con otro equipo distinto que incluye, en cada experimento, los controles necesarios y todas las comprobaciones para que puedan confirmar con muchas garantías, el resultado finalmente obtenido. Es un proceso largo y muy complejo, la consecuencia de muchos años de investigación de muchos equipos diferentes.

El Fermilab. en Illinois, como una obra de arte, se exhibe presuntuoso y sabiendo que, desde su construcción por Carlo Rubbia, ha dado muchas alegrias a la Ciencia. Ahora, se anuncia una nueva gran alegría con el encuentro (por fín) del Bosón de Higgs que, según parece ya ha dado señales de su presencia. ¡Un gran paso adelante! en el conocimiento fundamental del Universo y la materia que contiene.

Yo puedo visualizar la estructura interna de un átomo. Puedo hacer que me vengan imágenes mentales de nebulosas de “presencia” de electrón alrededor de la minúscula mota del núcleo que atrae esa bruma de la nube electrónica hacia sí. Puedo ver los átomos, los protones y neutrones y, en su interior, los diminutos quarks enfangados en un mar de gluones.

Claro que, todo eso es posible, por el hecho de que, dicha imagen, me es muy familiar. Creo que cada uno construirá sus propias imágenes conforme él las vea a partir de las ecuaciones o bien de cómo las formó en su mente a partir de sus lecturas o explicaciones oídas en charlas científicas.

¿sabremos algún día lo que hay más allá de los Quarks? Ahora, después del Higgs, se espera que aparezcan las partículas supersimétricas

Cuando entraron en escena David Politzer, de Harvard, y Davil Gross y Frank Wilczek, de Princeton, el panorama de lo que ocurría en el interior del núcleo, se aclaró bastante. Ellos, descubrieron algo que llamaron libertad asintótica. Asintótico significa, burdamente, “que se acerca cada vez más, pero no toca nunca”.

Los quarks, según descubrieron los tres, tienen libertad asintótica. La interacción fuerte se debilita más y más a medida que un quark se aproxima a otro. Esto significa paradójicamente, que cuando los quarks están muy juntos se portan casi como si fuesen libres. Pero cuando se apartan, las fuerzas se hacen efectivamente mayores. Las distancias cortas suponen energías altas, así que la interacción fuerte se debilita a altas energías.

Desde luego es meritorio que los físicos teóricos puedan “imaginar” lo que ocurre dentro de los átomos, en este caso dentro de los protones y neutrones con los Quarks, para llegar a saber que, los Gluones los mantienen confinados porm medio de la fuerza nuclear fuerte.

Esto es justo lo contrario de lo que pasa con la fuerza eléctrica.

Aún más importante era que la interacción fuerte necesitase una partícula mensajera, como las otras fuerzas y, en alguna parte le dieron al mensajero el nombre de gluón (de la palabra inglesa Glue, pegamento).

A todo esto, llegó Murray Gell-Mann con sus quarks para completar el panorama, adjudicó a estas diminutas partículas color y sabor (nada que ver con el gusto y los colores reales) y llegó la teoría denominada cromodinámica cuántica. Todo aquello dio mucho que hablar y mucho trabajo a los teóricos y experimentadores y, al entrar en los años ochenta, se había dado ya con todas las partículas de la materia (los quarks y los leptones), y teníamos las partículas mensajeras, o bosones gauge, de las tres fuerzas, a excepción de la Gravedad.

MATERIA

Primera generación

Segunda generación

Tercera generación

u

c

t

d

s

b

Son los quarks up, down, charmed, strange, top y bottom.

Los leptons son:

υe

υμ

υτ

e

μ

τ

FUERZAS

Los bosones gauge:

Fotón

Electromagnetismo

W+, W-, Z0

Interacción débil

Ocho gluones

Interacción fuerte

La familia de los leptones está compuesta por el electrón, muón y tan con sus correspondientes neutrinos.

Así quedó prácticamente completo el llamado modelo estándar que describe las partículas que forman la materia conocida y las fuerzas que intervienen e interaccionan con ellas. La gravedad, quedó aparte en la relatividad general de Einstein.

¿Por qué es incompleto el Modelo Estándar? Tiene algunas ausencias como la ausencia de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la Gravedad. Otro defecto estético es que no es lo bastante simple; debería parecerse más a la tierra, aire, fuego y agua, de Empédocles. Hay demasiados parámetros y demasiados controles que ajustar, y, nos buscamos el Bosón de Higgs para explicar la masa de las partículas.

Necesitamos una nueva teoría que sea menos complicada, más sencilla y bella, sin vericuetos intrincados que salvar, con la limpieza y serena majestad de la teoría de la Gravedad que, con enorme simpleza y aplicando principios naturales, trata los temas más profundos del Universo.

Estamos empeñados en llegar a las entrañas de la materia y…¡Lo conseguiremos!

Esperemos que continué desarrollándose la teoría de cuerdas y que, como parece, incluya todas las fuerzas, todas las partículas y, en fin, todos los parámetros que dan sentido al Universo.

Poner aquí toda la historia y sucesos del CERN desdee su nacimiento, sería imposible. Sin embargo, si tenemos que decir que gracias a los aceleradores de partículas fueron descubiertas las corrientes neutras ( en el CERN en 1973) en el Acelerador Lineal (LAL) y utilizando la Gran Cámara de burbujas de líquido pesado .

El descubrimiento de corrientes neutras es uno de los hitos sobresalientes en una década prodigiosa (1967-1976) repleta de importantes descubrimientos experimentales y desarrollos teóricos que modificaron sensiblemente nuestra visión de la estructura última de la materia.

 

La predicción de la unificación electrodébil en el sector leptónico, el descubrimiento de la dispersión profundamente inelástica en colisiones inducidas por electrones, el descubrimiento de los quarks c y b y del leptón tau, la idea de libertad asintótica y la formulación de la Cromodinámica Cuántica son algunos de los avances más destacables producidos durante aquellos años.

El descubrimiento de los Bosones W+, W- y Zº llegaron de la mano del descubrimiento de las corrientes neutras en el CERN y la medida de su importancia en relación con las corrrientes cargadas, permitió hacer una primera estimación de la masa de estos bosones gauges y quedó establecido, fuera de toda duda, el interés científico de los colisionadores de partículas.

Por aquellos tiempos ya lejanos, ningún colisionador tenía la fuerza necesaria para “fabricar” aquellas partículas. Sería muy largo de contar aquí (sólo una reseña) todo lo que pasó para que llegáramos al punto en que hoy nos encontramos en el tema de los aceleradores de partículas.

El LEP y el Modelo Estándar

El descubrimiento de las correrientes neutras en 1973 y de los bosones vectoriales W+, W- y Zº en 1983, ambos en el CERN, deben ser considerados como las primeras evidencias experimentales decisivas de la validez del sector electrodébil del Modelo Estándar, formulado por Glasow, Weinberg y Salam como una teoría Gauge SU(2)xU(1) con las masas de las partículas generadas por el mecanismo de Higgs.

Estos descubrimientos justificaron el construir un colisionador de electrones y positrones que midiese con precisión las propiedades (estáticas y dinámicas) de los bosones W y Z y estableciese sin ambigüedad la naturaleza mecano-cuántica del Modelo Estándar convertido en Teoría gracias a los trabajos de Veltman y t’Hooft.

Descubrimiento de la violación directa de CP

La idea de simetría CP (C=conjugación de carga, P= Paridad) se introduce en física de partículas a finales de los años 50, poco después del descubrimiento de la violación de simetría P en procesos mediados por la interacción débil (desintegraciones nucleares Beta), y postula que las partículas dextrógiras se comportan de la misma forma que las anti-partículas levógiras.

Partículas de materia y antimateria, son iguales si exceptuamos las cargas

En 1964 J. Cronin y V. Fitch observaron en un estudio experimental de los mesones extraños Kº realizado en BNL una pequeña pero significativa violación de este principio de simetría. El intento de explicar este efecto extremadamente sutíl condujo a la predicción teórica de que el número de quarks debería ser 6, en lugar de los 3 identificados hasta la fecha.

Casi simultáneamente A. Saharov argumentó a favor de incluir la violación CP en la lista de condiciones necesarias para explicar el observado déficit de antimateria en el Universo a partir de las leyes de la microfísica.

Llegamos al LHC del que tanto se habló, se habla y se hablará. La consagración del Modelo Estándar, como resultado de las medidas de precisión realizadas en el LEP durante el período de 1989-2000, ilustran los dos caminos que han protagonizado el avance en la física de partículas en éstas últimas décadas:

  1. La exploración directa de nuevas regiones de energía en búsqueda de nuevos fenómenos y,
  2. El estudio de alta precisión de las propiedades de las partículas elementales y de las fuerzas fundamentales ya establecidas.

Estas dos líneas de actuación son, en buena medida complementarias y, como ha demostrado la experimentaciópn en LEP, las medidas de precisión a una determinada energía permiten vislumbrar que clase de fenómenos aparecerán a más altas energías y anticipar las regiones de interés.

LEP ha anticipado con claridad que el Bosón de Higgs del Modelo Estándar es una partícula ligera, de masa probablemente inferior a 250 GeV. También sugirió la escala de 1 TeV como umbral muy probable para la puesta de manifiesto de una nueva fenomenología que podría incluir partículas supersimétricas, tecnicolor, dimensiones extras o supergravedad a bajas energías, entre otras fascinantes propuestas de la Nueva Física.

Muchos científicos repartidos por todo el mundo están examinando imágenes como esta, están a la caza del Bosón de Higgs, no podemos saber aún, si en los experimentos llevados a cabo ha podido aparecer la misteriosa partícula que se supone le da la masa a las demás partículas. Si aparece, el Modelo Estándar ganará y será más completo y fiable.

Esa es la razón de ser del LHC, el colisionador protón-protón a 14 TeV en el centro de masas e interacciones plomo-plomo a 1 300 TeV en el centro de masas. Existe la firme convicción de que el LHC establecerá la naturaleza de la observada rotura de la simetría electrodébil (el mecanismo de Higgs frente a otras altrernativas), dilucidará la posible existencia de partículas supersimétricas -o de otro tipo- así como de nuevas interacciones, pondrá de manifiesto el desconfinamiento de los quarks y la transición de fase hadrones-plasma de quarks y gluones y ayudará a profundizar en el conocimiento de los sabores pesados (quarks botton y top) y en procesos mediados por violación de la simetría CP.

Todos estos resultados tendrán una enorme influencia en los campos de la Astrofísica y la Cosmología y seguramente ayudará a desentrañar el misterio de la materia oscura y de la propia existencia de la materia bariónica (asimetría materia-antimateria).

En definitiva, con el LHC se inicia el asalto, tal vez defintivo, a algunas de las cuestiones y desafios intelectuales más fundamentales en investigación básica que, nos traerá unos conocimientos esenciales para el porvenir de la Humanidad en un futuro muy próximo.

emilio silvera

 

  1. 1
    Crusellas
    el 13 de agosto del 2011 a las 22:32

    Querido Emilio, de nuevo felicitarte por los últimos posts; aunque yo sólo soy un diletante, me alcanza para comprender el esfuerzo titánico que supone la elaboración de estos artículos; todos, además, enriquecidos con imágenes y con enlaces, que aunque sean algo accesorio no es moco de pavo su inserción, y ayuda enormemente a la comprensión y amenidad del texto.
    Sólo querría decir que yo defiendo sin ambages las inversiones económicas que llevan adelante proyectos como el del LHC, o los de investigación espacial. Habría que explicarle a la gente que no son caprichos de científicos extraviados. El futuro de la Humanidad, la esperanza última de supervivencia de toda la Raza Humana está en el estudio exhaustivo de la Física y la Cosmología (valga la redundancia, pues como muy bien dices, todo es Física, y todo es Cosmos), al margen del placer que supone el CONOCIMIENTO en sí mismo (en mayúsculas).
    Sólo pensemos en todo lo que las naciones invierten en armamento y en lujos absurdos. Sería maravilloso que todo el Planeta se hermanara en un esfuerzo común por ahondar más y más en la Ciencia.
    Pero bueno, no queda más remedio que afrontar la realidad -triste realidad- tal como viene. Pero si hay un dinero bien invertido ése es el destinado al estudio de la Física (en su más amplio concepto).
    Un abrazo, amigo, y gracias mil por deleitarnos y acercarnos la Ciencia de un modo tan ameno, variado y riguroso. 

    Responder
  2. 2
    Shalafi
    el 19 de diciembre del 2011 a las 13:22

    No es el sitio más apropiado para decirlo, pero solo quería anunciar que ya estoy de vuelta. Me he tomado unas vacaciones creo que merecidas y he recorrido media Europa durante casi tres semanas… Ya estoy de vuelta a todos los efectos :)

    Un saludo

    Responder
    • 2.1
      emilio silvera
      el 20 de diciembre del 2011 a las 6:51

      Hola amigo Juanma:
      Es la mejor noticia. No sabes lo que se te echa de menos cuando estás ausente. Aquí anuncié que estabas de viaje pero creí que el lugar elegido era Japón. Bueno, de todas las maneras lo importante es que estás de vuelta y que este lugar lo notará.
      Un abrazo amigo.

      Responder

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