Dos partículas entrelazadas lo seguirán estando aunque las separen un millón de kilómetros

Los simuladores cuánticos serán una aplicación previa a los potentes ordenadores cuánticos

« ¿Las Mil y Una Noches?… Bueno, es mucho más que eso.

Nuestro universo, con lo inmenso que es, con centenares de miles de millones de galaxias visibles y tantos millones de estrellas en cada una de ellas, puede que no sea el único que exista. Tal vez hay otros universos, distintos del que conocemos, y alguno parecido… ¿Sería posible visitarlos? ¿Echarles un vistazo? ¿Comprobar siquiera si efectivamente están por ahí como burbujas aisladas… a no ser que entren algunas en colisión? Medio centenar de expertos estadounidenses, europeos y españoles se han reunido esta semana en un encuentro científico de alto nivel celebrado en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) para discutir precisamente los multiversos y las teorías en las que emerge su existencia.

El problema del Multiverso »

El cemento del Universo: Leptones y Quarks. Pero a partir de estos infinitesimales objetos, se conforman muchos otros conceptos que, como la Masa y la Carga eléctrica le van dando forma y comprensión a esos fenómenos que hemos podido llegar a observar y comprender. ¿De qué estamos hechos? El Modelo Estándar de Partículas Elementales ha dejado al descubierto una aceptable explñicación para comprender eso y mucho más.

El misterio de la masa

De forma cotidiana denominamos masa a la cantidad de materia de un cuerpo. Prácticamente toda la masa de los átomos que componen la materia se debe a la masa de sus núcleos. La masa de los núcleos atómicos esencialmente corresponde a la de los protones y neutrones que los forman. Sin embargo, la masa de un protón o un neutrón es mucho mayor que la suma de las masas de los quarks que los forman (éstas son tan pequeñas que sólo explican el 1% de la masa total). El 99% de la masa de protones y neutrones está asociada a la energía cinética de los quarks en su interior, que se mueven a velocidades relativistas, pero que no escapan por estar confinados por la fuerza de color. Esta masa corresponde por tanto a una energía interna de las partículas compuestas.

La energía interna no puede, sin embargo, explicar la masa de las partículas elementales (como los propios quarks, los leptones o los bosones Z y W), por no estar compuestos de partículas más pequeñas.

¿Cuál es el origen de la masa de las partículas elementales?

Todos los intentos y los esfuerzos por hallar una pista del cuál era el origen de la masa fallaron.  Feynman escribió su famosa pregunta: “¿Por qué pesa el muón?”.  , por lo menos, tenemos una respuesta parcial, en absoluto completa.  Una voz potente y ¿segura? nos dice: “!Higgs¡” Durante más de 60 años los físicos experimentadores se rompieron la cabeza con el origen de la masa, y ahora el campo Higgs presenta el problema en un contexto ; no se trata sólo del muón. Proporciona, por lo menos, una fuente común todas las masas. La nueva pregunta feynmaniana podría ser: ¿Cómo determina el campo de Higgs la secuencia de masas, aparentemente sin patrón, que da a las partículas la matería?

La variación de la masa con el de movimiento, el cambio de masa con la configuración del sistema y el que algunas partículas (el fotón seguramente y los neutrinos posiblemente) tengan masa en reposo nula son tres hechos que ponen dicho que el concepto de masa sea un atributo fundamental de la materia.  Habrá que recordar aquel cálculo de la masa que daba infinito y nunca pudimos resolver; los físicos sólo se deshicieron de él “renormalizándolo”, ese truco matemático que emplean cuando no saben encontrar la respuesta al problema planteado.

Ese es el problema de trasfondo con el que tenemos que encarar el problema de los quarks, los leptones y los vehículos de las fuerzas, que se diferencian por sus masas.  que la historia de Higgs se tenga en pie: la masa no es una propiedad intrinseca de las partículas, sino una propiedad adquirida por la interacción de las partículas y su entorno.

La idea de que la masa no es intrinseca la carga o el espín resulta aún más plausible por la idílica idea de que todos los quarks y fotones tendrían masa cero. En ese caso, obedecerían a una simetría satisfactoria, la quiral, en laque los espines estarían asociados siempre con su dirección de movimiento. Pero ese idilio queda oculto por el fenómeno de Higgs.

¡Ah, una cosa más! Hemos hablado de los bosones gauge y de su espín de una unidad; hemos comentado también las partículas fermiónicas de la materia (espin de media unidad). ¿Cuál es el pelaje de Higgs? Es un bosón de espin cero.  El espín supone una direccionalidad en el espacio, pero el campo de Higgs da masa a los objetos dondequiera que estén y sin direccionalidad.  Al Higgs se le llama a veces “bosón escalar” [sin dirección] por esa razón.

La interacción débil, recordareis, fue inventada por E. Fermin describir la desintegración radiactiva de los núcleos, que era básicamente un fenómeno de poca energía, y a medida que la teoría de Fermi se desarrolló, llegó a ser muy precisa a la hora de predecir un enorme de procesos en el dominio de energía de los 100 MeV.  Así que ahora, con las nuevas tecnologías y energías del LHC, las esperanzas son enormes para, por fin, encontrar el bosón Higgs origen de la masa… y algunas cosas más.

      

        Fabiola Gianotti, portavoz del experimento ATLAS, ofreció algunos avances:

“En nuestros observamos claros signos de una nueva partícula compatible con la teoría de Higgs, con un nivel aproximado de 5 sigma [99,977% de eficiencia], en la región de masa alrededor de los 126 GeV. El increíble rendimiento del LHC y el ATLAS y los enormes esfuerzos de mucha gente nos han traído a excitante punto, pero hace falta un poco más de tiempo para preparar estos resultados cara a su publicación.”

 

El Modelo Estándar describe las partículas de todo cuanto nos rodea, incluso de nosotros mismos. Toda la materia que podemos observar, sin embargo, no parece significar más que el 4% del total. Higgs podría ser el puente para comprender el 96% del universo que permanece oculto.

El 4 de julio de 2012 se anunció el descubrimiento de un bosón. Punto. En diciembre de 2012 se empezó a hablar de “un” Higgs (en lugar de “el” Higgs), pero oficialmente seguía siendo un nuevo bosón. ¿Importa el ? El Premio Nobel de Física para el bosón de Higgs sólo será concedido cuando el CERN afirme con claridad y rotundidad que se ha descubierto “el” Higgs, si el CERN es conservador, la Academia Sueca lo es aún más. Sin embargo, el rumor es que quizás baste con que el CERN diga que se ha descubierto “un” Higgs.

¿Por qué, a pesar de todas las noticias surgidas el CERN, creo que no ha llegado el momento de celebrarlo? ¿Es acaso el Higgs lo encontrado? Al menos a mí me faltan expliaciones sobre el verdadero mecanismo mediante el cual las partículas adquieren masa.

Hay que responder montones de preguntas.  ¿Cuáles son las propiedades de las partículas de Higgs y, lo que es más importante, cuál es su masa? ¿Cómo reconoceremos una si nos la encontramos en una colisión de LHC? ¿Cuántos tipos hay? ¿Genera el Higgs todas las masas, o las hace incrementarse? ¿Y, cómo podemos saber más al respecto? También a los cosmólogos les fascina la idea de Higgs, pues casi se dieron de bruces con la necesidad de tener campos escalares que participasen en el complejo proceso de la expansión del Universo, añadiendo, pues, un peso más a la carga que ha de soportar el Higgs.

El campo de Higgs, tal y como se lo concibe , se puede destruir con una energía grande, o temperaturas altas. Estas generan fluctuaciones cuánticas que neutralizan el campo de Higgs. Por lo tanto, el cuadro que las partículas y la cosmología pintan juntas de un universo primitivo puso y de resplandeciente simetría es demasiado caliente Higgs. Pero cuando la temperatura cae bajo los 10’⁵ grados kelvin o 100 GeV, el Higgs empieza a actuar y hace su generación de masas.  Así por ejemplo, de Higgs teníamos unos W, Z y fotones sin masa y la fuerza electrodébil unificada.

El Universo se expande y se enfría, y entonces viene el Higgs (que engorda los W y Z, y por alguna razón ignora el fotón) y de ello resulta que la simetría electrodébil se rompe. Tenemos entonces una interacción débil, transportada por los vehículos de la fuerza W⁺, W^–, Z⁰, y por otra una interacción electromagnética, llevada por los fotones. Es como si algunas partículas del campo de Higgs fuera una especie de aceite pesado a través del que se moviera con dificultad y que las hiciera parecer que tienen mucha masa. Para otras partículas, el Higgs es el agua, y para otras, los fotones y quizá los neutrinos, es invisible.

Cada suceso, la línea del haz es el eje común de los cilindros de malla de alambre ECAL y HCAL. ¿Cuál es el mejor candidato W? el mejor candidato Z? En cada evento, ¿dónde ocurrió la colisión y el decaimiento de las partículas producidas? Lo cierto es que, en LHC se hacen toda clase de pruebas para saber del mundo de las partículas, de dónde vienen y hacia dónde se dirigen y, el Bosón de Higgs, es una asignatura pendiente a pesar de las noticias y de los premios

De todas las maneras, es tanta la ignorancia que tenemos sobre el origen de la masa que, nos agarramos como a un clavo ardiendo el que se ahoga, en caso, a la partícula de Higgs que viene a ser una de las soluciones que le falta al Modelo Estándar para que todo encaje con la teoría.

¡Ya veremos en que termina todo esto! Y, aunque el que suena siempre es Higgs, lo cierto es que los autores de la teoría del “Bosón de Higgs”, son tres a los que se ha concedido, junto al CERN, el Premio Principe de Asturias. Peter Ware Higgs —el primero en predecir la existencia del bosón— junto a los físicos François Englert, y el belga Robert Brout—fallecido en el año 2011—.

Peter Higgs, de la Universidad de Edimburgo, introdujo la idea en la física de partículas.  La utilizaron los teóricos Steven Weinberg y V. Salam, que trabajaban por separado, comprender como se convertía la unificada y simétrica fuerza electrodébil, transmitida por una feliz familia de cuatro partículas mensajeras de masa nula, en dos fuerzas muy diferentes: la QED con un fotón carente de masa y la interacción débil con sus W⁺, W^– y Z⁰ de masa grande.  Weinberg y Salam se apoyaron en los trabajos previos de Sheldon Glasgow, quien tras los pasos de Julian Schwinger, sabía sólo que había una teoría electrodébil unificada, coherente, pero no unió todos los detalles. Y estaban Jeffrey Goldstone y Martines Veltman y Gerard’t Hooft.  También hay otras a los que había que mencionar, pero lo que siempre pasa, quedan en el olvido de manera muy injusta.  Además, ¿Cuántos teóricos hacen falta para encender una bombilla?

La verdad es que, casi siempre, han hecho falta muchos.  Recordemos el largo recorrido de los múltiples detalle sueltos y físicos que prepararon el terreno para que, llegara Einstein y pudiera, uniéndolo todo, exponer su teoría relativista.

Sobre la idea de Peter Higgs, Veltman, uno de sus arquitectos, dice que es una alfombra bajo la que barremos nuestra ignorancia.  Glasgow es menos amable y lo llamó retrete donde echamos las incoherencias de nuestras teorías actuales.  La objeción principal: que no teníamos la menor prueba experimental que parece que va asomando la cabeza en el LHC.

Esperemos que la partícula encontrada, el bosón hallado, sea en realidad el Higgs dador de masa a las demás partículas pero… ¡Cabe la posibilidad de que sólo sea el hermano menor! de la familia. El modelo estándar es lo bastante fuerte decirnos que la partícula de Higgs de menor masa (podría haber muchas) debe “pesar” de 1 TeV. ¿Por qué? Si tiene más de 1 TeV, el modelo estándar se vuelve incoherente y tenemos la crisis de la unitariedad.

Después de todo esto, tal como lo están planteando los del CERN,  se llegar a la conclusión de que, el campo de Higgs, el modelo estándar y nuestra idea de cómo se hizo el Universo dependen de que se encuentre el Bosón de Higgs.  Y , por fin, el mayor Acelerador del mundo, el LHC, nos dice que el Bosón ha sido encontrado y las pruebas tienen una fiabilidad enorme.

¡La confianza en nosotros mismos, no tiene límites! Pero el camino no ha sido recorrido por completo y quedan algunos tramos que tendremos que andar para poder, al fín, dar una explicación más completa, menos oscura y neblinosa que lo que hasta el momento tenemos, toda vez que, del Bosón de Higgs y de su presencia veráz, dependen algunos detalles de cierta importancia para que sean confirmados nuestros conceptos de lo que es la masa y, de paso, la materia.

¿Pasará igual con las cuerdas?

Pero volviendo al principal tema aquí tratado, ya todo eso quedó sobrepasado y el Bosón de Higgs (según nos dijeron los del CERN), ha sido descubierto para que le concedieran el Nobel de Física a Peter Ware Higgs —el primero en predecir la existencia del bosón— junto al físico François Englert. Desgraciadamente,   el belga Robert Brout -también merecedor al premio- no pudo estar presente, se marchó antes de tiempo para hacerlo posible.

emilio silvera

Fuente principal: León Lederman

¿Cuántas generaciones de partículas existen? El modelo estándar no predice el número de generaciones de fermiones (quarks y leptones). Hoy conocemos tres generaciones, pero podrían existir más. Una cuarta generación dentro del modelo estándar estaría formada por dos quarks pesados y y dos leptones pesados y . Cualquier otra opción implicaría física más allá del modelo estándar. En este caso SM4 sustituiría a SM3, como SM3 sustituyó a SM2 en los 1970. (Fuente Francis (th)E mule Science’s News).

Pero hablemos de partículas “bellas” de materia y antimateria. Así se titula un magnifico artículo de Don Alberto Ruiz Jimeno, miembro del Grupo de Altas Energías del Instituto de Física Moderna Universidad de Cantabria y Jefe del Grupo de Altas Energías. En él nos dice que:

El resultado procede del análisis de CDF de miles de millones de colisiones de protones y antiprotones producidos en el colisionador Tevatron del Fermilab. De acuerdo con la Teoría de la Relatividad de Einstein, energía es igual a masa, por lo que esas colisiones de alta energía pueden lanzar a la existencia a partículas subatómicas masivas no vistas en nuestro mundo cotidiano. Los físicos intentan entonces identificar esas partículas estudiando las combinaciones de partículas más familiares en las que decaen.

“Nuevos bariones constituidos por tres Quarks, como los protones, pero conteniendo el quarks b (“belleza”) han sido observado en el experimento CDF del Acelerador del Tevatrón de protones y antiprotones. Por otra parte (nos dice), se ha observado por primera vez la oscilación de los mesones B, entre materia y antimateria. Dado que el artículo puede tener un alto interés para ustedes, he creído positivo transcribirlo aquí para gozo del personal que, con estos nuevos conocimientos (como me pasó a mí), podrán aumentar los suyos.

La física de partículas elementales tiene por objeto el estudio de los constituyentes más elementales de la materia y de las fuerzas fundamentales que rigen su comportamiento. La dinámica de estos bloques fundamentales viene formulada por la mecánica cuántica relativista.

El denominado Modelo Estándar establece que los bloques elementales de la materia tienen un momento magnético intrínseco (spín) de valor ½, denominándose fermiones por verificar las leyes de la estadística cuántica que formularon Fermi y Dirac a comienzos del siglo XX. A su vez, las fuerzas fundamentales vienen determinadas por el intercambio de cuantos de energía, con spin 1 (salvo el hipotético gravitón que tendría spin 2), llamado bosones al verificar las leyes estadísticas cuántica establecidas por Bose y Einstein, en el mismo siglo XX.

Los Bosones de interacción son el fotón, causante de la interacción electromagnética; los bosones vectoriales W⁺, W^– y Z⁰, causantes de la interacción nuclear débil; los ocho tipos de Gluones que confinan a los Quarks en hadrones (como el protón o el neutrón) a causa de la interacción fuerte nuclear, y el gravitón u onda gravitacional que explicaría la interacción gravitatoria. La fuerza gravitacional es despreciable a escala subatómica, pero es la dominante a grandes escalas. Su portador aún no ha sido observado; de hecho, su existencia requeriría una teoría cuántica de la gravitación, que aún no ha sido formulada.

Los fermiones de materia se denominan quarks o leptones, siendo los primeros los que están sometidos a los cuatro tipos de interacciones y los segundos los que no están sometidos a la interacción nuclear fuerte; en cualquiera de los casos, la interacción electromagnética solo afecta a las partículas que poseen carga eléctrica y la interacción gravitatoria a las que poseen masa.

Los quarks son de seis tipos o sabores,  así como los leptones. Unos y otros se clasifican en familias o generaciones, siendo la más ligera la constituida por los quarks y los leptones electrón y neutrino electrónico. Los nucleones, protón y neutrón, tienen la estructura de quarks, respectivamente uud y udd. Los átomos tienen un núcleo interno constituido por nucleones y electrones orbitando en torno al mismo.

El resto de quarks y leptones constituyen materia exótica, siendo producidos en los aceleradores de partículas y en la radiación cósmica, pero formaban parte de la materia original del Universo primitivo. Los quarks pueden tener, además, tres tipos de carga fuerte o “color”.

Además existen otros doce sabores correspondientes a la antimateria, en forma de anti-quarks y anti-leptones, con las mismas masas que los quarks y leptones correspondientes, pero con sus cargas invertidas. No se ha observado antimateria en el Universo actual, pero el Universo primigenio tenía igual cantidad de materia que de antimateria. Toda la antimateria actual es producida en los choques de partículas aceleradas, como consecuencia de la transformación de energía en pares materia-antimateria.

La ecuación cuántica relativista que gobierna el comportamiento de los fermiones es la ecuación de Dirac, debida al famoso físico inglés. Las soluciones de dicha ecuación incluyen las denominadas partículas de antimateria, que poseen la misma masa que la partícula correspondiente, pero tienen todas sus “cargas” internas, como la carga eléctrica, con el signo opuesto. Así por cada quark tenemos un antiquark y por cada leptón un antileptón. Cuando un fermión y su correspondiente antifermión se encuentran se aniquilan mutuamente, convirtiéndose en energía y, a la viceversa, si tenemos energía superior a la suma de las masas de fermión y antifermión, puede convertirse en un par fermión-antifermión.

El 7 de agosto de 1912, el físico austriaco Victor Franz Hess descubrió esta potentísima fuente de energía llegada del espacio, lo que años después le supuso el premio Nobel ABC.ES / MADRID V.F. SOCIETY    Víctor F. Hess, en un globo entre 1911 y 1912.

La historia de la Física de Partículas debe mucho al descubrimiento de los rayos cósmicos, realizada por el físico austríaco Francis Hess, en 1912, y apodados como tales por el físico americano Robert Millikan, en 1925. Los experimentos de Hess, utilizando globos aerostáticos, concluyeron que la cantidad de radiación crecía por encima de los 2000 metros de altura y la fuente de los mismos eran el Sol y otras fuentes procedentes del firmamento.

A partir de esa fecha y hasta mediados del siglo XX, gracias a los experimentos con rayos cósmicos, el número de tipos diferentes de partículas observadas, que previamente se reducían al protón y el electrón, se multiplicó, creándose un auténtico caos que obligó a pensar en esquemas de clasificación de las mismas.

                                                                                      Esquema de un sincrotrón

El sincrotrón es un tipo deacelerador de partículas.  Se diferencia de otros aceleradores en que las partículas se mantienen en una órbita cerrada. Los primeros sincrotrones se derivaron del ciclotron. que usa un campo magnético constante para curvar la trayectoria de las partículas, aceleradas mediante un campo eléctrico también constante, mientras que en el sincrotrón ambos campos varían. La velocidad máxima a la que las partículas se pueden acelerar está dada por el punto en que la radiación sincrotrón emitida por las partículas al girar es igual a la energía suministrada. Los sincrotrones también se utilizan para mantener las partículas circulando a una energía fija; en este casos reciben el nombre de «anillos de almacenamiento».

En 1947, los físicos del Laboratorio Lawrence Berkeley, de California, construyeron el primer gran acelerador, un ciclotrón, comenzando la era de los grandes aceleradores de partículas, que continuaron descubriendo nuevos tipos de las mismas, de modo que, en 1960, había cientos de tipos de partículas observadas, sin que hubiera, aún, un esquema de clasificación adecuado. Este fue desarrollado durante la década de 1960, en la que el análisis de las colisiones de partículas, y las propiedades de los diferentes tipos de interacción observadas, establecieron la base para la construcción del Modelo Estándar.

    Sí, las fuerzas fundamentales, o, interaciones… ¡Están presentes en todas partes por el Universo! Son las que marcan el ritmo.

Las leyes que rigen el comportamiento de las interacciones fundamentales y sus propiedades de simetría permitieron establecer un marco de clasificación de los hadrones (partículas compuestas por quarks, como es el caso del protón) que pueden ser de dos tipos: Bariones, si en su constitución tenemos tres quarks, o mesones, si si están constituidos de un quark y un antiquark.

En realidad, la dinámica de los hadrones está determinada, esencialmente, por la interacción nuclear fuerte, de modo que los quarks constituyentes son los quarks de “valencia”, en analogía con los electrones de valencia de los átomos (los que fijan sus propiedasdes químicas). En la dinámica de la interacción fuerte nuclear hay un continuo intercambio de Gluones entre los quarks y reacciones de producción y aniliquilación de quarks y antiquarks mediante Gluones.

Esta dinámica es debida a la existencia de una propiedad intrínseca de los quarks que denominamos “color”, que es intercambiada en las reacciones de Quarks y Gluones. Los hadrones son,  globalmente,  neutros de color (como los átomos son neutros de carga eléctrica) y es tan fuerte y característica la interacción que los quarks están confinados en unas dimensiones especiales inferiores al tamaño de los núcleos de los átomos, siendo paradójicamente casi libres en el interior de los hadrones (libertad asintótica de los quarks).

      La fuerza nuclear fuerte es la más potente de la Naturaleza y mantiene el núcleo de los átomos unidos

El Modelo Estándar ha sido comprobado desde su desarrollo formal, a mediados de 1960, y sus parámetros han sido medidos con extraordinaria precisión, gracias al desarrollo de experimentos muy potentes, entre los que destacan los realizados en el acelerador LEP (“Large Electrón Positrón”) del CERN ( Centro Europeo de Física de Partículas, en Ginebra), durante la última década del siglo XX, y del Tevatrón del Laboratorio Fermilab (Chicago, USA), aún en funcionamiento.

A continuación viene una referencia al LHC que, a estas alturas está sobrepasada por conocer todos nosotros lo que ha pasó en su inauguración y sus primeras pruebas. Así que, no me parece oportuno plasmar aquí esa referencia que conoceremos de primera mano cuando sucedieron los hechos y toda la prensa los publicó.

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