La Academia Sueca de  Ciencias de Estocolmo informa de que el Nobel de Física de este año, se concede al belga  François Englert y al británico Peter Higgs, el mensaje que se lanza a los cuetro vientos se entiende como que,  “La investigación es clave para entender el Universo”. Arriba podemos ver a los premiados.

Según he podido leer en Telam: “El bosón de Higgs permite asomarse a la observación de lo que ocurrió inmediatamente después del “Big Bang”, y así, el descubrimiento se convierte en la pieza faltante del rompecabezas del Modelo Estándar de la física de partículas que explica el funcionamiento del universo y describe los componentes fundamentales de la naturaleza, consignó la agencia DPA.

A este mecanismo se le atribuye la propiedad de atraer y mantener juntas al resto de partículas elementales que conforman la materia visible del Universo y es “una parte central” del modelo estándar de la física elemental “que describe cómo está construido el mundo”, señaló en su fallo la Real Academia de las Ciencias sueca.”

La confirmación de la existencia de esta partícula a través de experimentos con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) y otros dos grandes detectores, el ATLAS y el CMS, del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) fueron considerados un hallazgo esencial en la comprensión del Universo, destacó la agencia EFE.

“No sólo se descubrió una partícula: se abrió una ventana a un nuevo mundo”

Durante las décadas de 1950 y 1960 los científicos observaron, de forma separada, la existencia de nuevas partículas en radiación cósmica con aceleradores recién construidos, pero no fue hasta 2011 que en el CERN, ubicado en Ginebra, se probó la existencia de una partícula que era el “bosón de Higgs”.

Peter Higgs, de 84 años, afirmó sentirse “abrumado” por el premio, en un comunicado difundido por la Universidad de Edimburgo, en la que es profesor emérito, y felicitó también “a todos los que contribuyeron al descubrimiento de esta nueva partícula” y agradeció a su “familia, amigos y colegas por su respaldo”.

             Una vista del King´s College de Londres que se asoma al Támesis

Asimismo el físico, nacido en Newcastle en 1929, doctorado en el King´s College de Londres y reconocido por varios diplomas de honor y premios a lo largo de su carrera, se mostró expectante porque “este reconocimiento a la ciencia básica ayude a aumentar la conciencia del valor de la investigación imaginativa”.

En tanto, el belga François Englert, quien en 1964 propuso la teoría que fue validada en 2011, en paralelo con Higgs, y junto con el físico ya fallecido Robert Brout, declaró por teléfono: “Estoy muy, muy feliz de ser reconocido por este premio extraordinario”.

El científico, nacido en Bruselas (Bélgica) en 1932, aseguró que le “encantó” el descubrimiento del CERN que confirmó sus trabajos, pero “no me provocó una excitación comparable a la que sentí en 1964 cuando Brout y yo comprendimos que nuestra teoría no tenía fallas desde el punto de vista lógico”.

El premio Nobel de Física se concede desde 1901 y cadaganador recibe una medalla, un diploma y un incentivo económico: en este caso Higgs y Englert compartirán los 8 millones de coronas suecas (922.000 euros).

Ahora tenemos que recordar aquella noticia que nos decía: “El CERN anuncia el descubrimiento de una partícula que podría ser el bosón de Higgs, cuya existencia está predicha por el Modelo estándar de la física de partículas.” Y, por aquel entonces se decían cosas como éstas:

“De la existencia del bosón de Higgs depende que la teoría actual que explica el Universo visible –el llamado Modelo Estándar– sea correcta. Y de las características de esta partícula dependerán las futuras investigaciones para comprender el Universo oscuro, que no está explicado por el Modelo Estándar.

“Todo el mundo está muy entusiasmado no sólo por el descubrimiento de la partícula sino también por las nuevas perspectivas que abre para la física”, destaca Rolf Heuer, director general del CERN.”

Con su enorme masa, el “higgs” –como lo llaman coloquialmente los físicos– es una pieza de caza mayor en el mundo de las partículas. La estrategia para capturarla consiste en crear energías muy altas en un acelerador de partículas y esperar que la energía se convierta en materia siguiendo la famosa ecuación de Einstein E = mc2.

Para descubrir una nueva partícula, sin embargo, no basta con crearla. Además, es conveniente observarla. El problema de observar el “higgs” es que es una partícula efímera que se vuelve a transmutar en energía y en otras partículas antes de que los físicos puedan verla. De ahí que haya que deducir su existencia a partir de las partículas que nacen de ella. Viene a ser como identificar a un fugitivo a partir de las huellas que ha dejado. Todo ello con la dificultad añadida de que una misma huella puede corresponder a distintos fugitivos. Es decir, si nacen ciertas partículas tras una colisión, puede que sean descendientes de un “higgs” o bien de alguna otra partícula.

Los resultados presentados el pasado diciembre por los coordinadores de los detectores Atlas y CMS ya hacían sospechar que habían encontrado una nueva partícula. Pero estaban en una situación similar a la de quien solo ha tirado el dado diez veces. Había aún una probabilidad de alrededor del 1% de que las observaciones fueran debidas al azar y no a la existencia de un nuevo bosón. Por convención entre físicos de partículas, para proclamar un descubrimiento la probabilidad debe reducirse a alrededor de uno entre un millón –lo que, en la jerga del sector, se llama cinco sigmas–.

Esto explica la ovación espontánea que se produjio aquel día a las 9.38 de la mañana en el auditorio del CERN en Ginebra cuando el coordinador de CMS, Joe Incandela, mostró en la pantalla su primera transparencia con el símbolo de cinco sigmas recuadrado en rojo. Y la ovación que ha recibido una hora después Fabiola Gianotti, coordinadora de Atlas, cuando ha anunciado los cinco sigmas de su detector. “Son resultados preliminares”, ha advertido Gianotti. Pero “son muy consistentes”, sostiene Incandela. Unos 6.000 investigadores de más de 40 países han trabajado en los dos experimentos.

     François Englert y Peter Higgs

Lo cierto es que me encantaria decir que el Premio Nobel que aquí anunciamos esté totalmente justificado pero… ¡Me queda en regustillo amargo! ¡N0 se ha demostrado que “esa” partícula hallada -supuestamente el Bosón de Higgs-, sea la que porporciona la masa al resto de las partículas como predice el Modelo Estándar de la física de partículas.

Es mucho el trabajo que queda por hacer y muchos los velos que hay que descorrer antes de llegar a la profundidad necesaria que nos confirme de manera inequívoca que el “Higgs” encontrado, es ese Bosón que llaman “a Partícula de Dios” que, aunque el nombre no me guste, de existir sería una partícula tan especial como que, sin ella, el resto de las partículas no tendrían masa.  Creo que todo esto es  más complejo que la sencilla historia que aquí nos han contado y, por otra parte, veo un cierto tufillo político en todo esto del Nobel que hace unos años no tenía. Ahora el premio está supeditado a presiones e intereses que…

De todas las maneras hay que felicitar a ambos galardonados que han tenido una trayectoria importante en la Física y, desde luego, no tenemos la menor duda de que se merecen un reconocimiento que, desde aquí extiende al fallecido en 2.011 Robert Brout que, también sería merecedor póstuno de ese premio que llegó tarde para él.

emilio silvera

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2010 APS J.J. Sakurai Premio – Kibble, Guralnik, Hagen, Englert, Brout.

Brout fallecido en 2.011, también era acreedor al Nobel de Física de 2.013

Como complemento del trabajo que se presenta hoy referido a la concesión del Nobel de Física de 2.013, aquí he recuperado éste trabajo que viene a explicar un poco, lo que antes de todo este jaleo del Higgs, habián hecho los físicos que ahora son premiados. Perdonad que lo expuesto sea algo complejo de comprender para algunos pero, hay veces que no se pueden evitar los guarismos, ecuaciones y signos que, en Física, es el lenguaje que suple a las palabras.

Investigación experimental

Hasta la fecha, el bosón de Higgs no ha sido observado experimentalmente, a pesar de los esfuerzos de los grandes laboratorios de investigación como el CERN o el Fermilab. La no observación de pruebas claras permite estimar un valor mínimo experimental de masa 114.4 GeV para el bosón de Higgs del modelo estándar, con un nivel de confianza del 95%.[6] Experimentalmente se ha registrado un pequeño número de eventos no concluyentes en el colisionador LEP en el CERN. Éstos han podido ser interpretados como resultados de los bosones de Higgs, pero la evidencia no es concluyente.[7] Se espera que el Gran Colisionador de Hadrones, ya construido en el CERN, pueda confirmar o desmentir la existencia de este bosón. El anillo de 27 km de circunferencia (llamado Large Hadron Collider) fue encendido el 10 de septiembre de 2008, como estaba previsto, pero un fallo en el sistema de enfriamiento que debe mantener los imanes a una temperatura aproximada de -271,3 °C detuvo el experimento, hasta el 20 de noviembre del 2009, fecha en que volvió a ser encendido, desde 450 GeV a 2.23 TeV. Pero fue apagado para realizar ajustes, y el 30 de marzo volvió a ser encendido, aunque a potencia de 7 TeV. Eso si, no será hasta 2016 cuando funcione a pleno rendimiento.

La búsqueda del bosón de Higgs es también el objetivo de ciertos experimentos del Tevatrón en el Fermilab

Alternativas al mecanismo de Higgs para la ruptura espontánea de simetría electrodébil

Desde los años en los que fue propuesto el bosón de Higgs, han existido muchos mecanismos alternativos. Todas las otras alternativas usan una dinámica que interactúa fuertemente para producir un valor esperado del vacío que rompa la simetría electrodébil. Una lista parcial de esos mecanismos alternativos es:

Technicolor es la clase de modelo que intenta imitar la dinámica de la fuerza fuerte como camino para romper la simetría electrodébil.

El modelo de Abbott-Farhi de composición de los bosones de vectores W y Z.

Campo de Higgs

El Campo de Higgs es un campo cuántico, que, de acuerdo con una hipótesis del modelo estándar de física de partículas expuesta por el físico Peter Higgs, permearía el universo entero, y cuyo efecto sería que las partículas se comportaran como dotadas de masa, debido a la interacción asociada de partículas elementales, con el bosón de Higgs, cuya existencia aún no ha sido probada directamente y que por la interacción consigo mismo también “adquiriría” masa. Se espera que el Gran Colisionador de Hadrones sirva para probar las hipótesis de Higgs.

Mecanismo de Higgs

El mecanismo de Higgs, ideado por Peter Higgs entre otros, es uno de los mecanismos posibles para producir la ruptura espontánea de simetría electrodébil en una Teoría Gauge invariante. Permitió establecer, la unificación entre la teoría electromagnética y la teoría nuclear débil, que se denominó Teoría del campo unificado dando premio Nobel en año 1979 a Steven Weinberg, Sheldon Lee Glashow y Abdus Salam

Este mecanismo también es conocido como mecanismo de Brout–Englert–Higgs, mecanismo de Higgs–Brout–Englert–Guralnik–Hagen–Kibble, o mecanismo de Anderson–Higgs. En 1964, fue inicialmente propuesto por Robert Brout y François Englert, e independientemente por Peter Higgs y por Gerald Guralnik, C. R. Hagen, y Tom Kibble.Fue inspirado en la Teoría BCS de rompimiento de simetría en superconductividad basado en Teoría Ginzburg-Landau, los trabajos de la estructura del vacío de Yoichiro Nambu, y las ideas de Philip Anderson según las cuales la superconductividad podía ser relevante en la relatividad, el electromagnetismo y otros fenomenos clásicos. El nombre de mecanismo de Higgs fue dado por Gerardus ‘t Hooft en 1971. Los tres artículos originales de Guralnik, Hagen, Kibble, Higgs, Brout, y Englert en donde se propone este mecanismo fueron reconocidos como fundamentales en la celebración del aniversario 50 de la revista Physical Review Letters

Campos y partículas

La segunda mitad del siglo XX fue un tiempo de descubrimiento de nuevas partículas elementales, nuevas fuerzas y, sobre todo, nuevos campos. El espacio puede llenarse con una amplia variedad de influencias invisibles que tienen todo tipo de efectos sobre la materia ordinaria. De todos los nuevos campos que se descubrieron, el que tiene más que enseñarnos sobre el paisaje es el campo de Higgs. Existe una relación general entre partículas y campos. Por cada tipo de partícula de la naturaleza hay un campo y por cada tipo de campo hay una partícula. Así campos y partículas llevan el mismo nombre. El campo electromagnético podría denominarse campo de fotones. El electrón tiene un campo, también lo tienen el quark, el gluón y cada miembro del reparto de personajes del modelo Standard, incluida la partícula de Higgs.

El campo de Higgs

En la concepción del Modelo estándar de física de partículas, el boson de Higgs así como otros bosones (encontrados ya experimentalmente) y ligados en esta teoría, se interpretan desde el Bosón de Goldstone donde cada parte del rompimiento de simetría genera un campo, para el cual los elementos que viven en este campo son sus respectivos bosones. Existen teorías creadas a partir del miedo de la no existencia del boson de Higgs donde no es necesaria su aparición. El campo de Higgs es el ente matemático donde existe, su interpretación con la teoría es el producto de él con los otros campos que sale por el mecanismo de ruptura, este producto nos da el acople y la interacción de él, con esta interacción con los otros campos legamos la caracteristica de generador de masa.

Me resistía pero…Formulación matemática

Introducimos un campo adicional ? que rompa la simetría SU(2)L × U(1)Y ? U(1)em. Debido a las condiciones que se exigen a la teoría será un doblete (de SU(2)L) de campos escalares complejos (doblete de Higgs):

 Dobletes de Higgs

El número total de entradas (número dimensional del vector) de Higgs no está determinado por la teoría y podría ser cualquiera. No obstante la versión mínima del SM posee uno solo de estos dobletes.

El sistema vendrá entonces descrito por un Lagrangiano de la forma:

tal que:

donde V(phi) es el potencial renormalizable (y por tanto que mantiene la invarianza gauge) más sencillo. Para que se produzca ruptura espontánea de simetría es necesario que el valor esperado del campo de Higgs en el vacío sea no nulo. Para lambda mayor que 0, si mu ² menor que 0, el potencial posee infinitas soluciones no nulas (ver figura 1), en las cuales sólo la norma del campo de Higgs está definida:

Estado fundamental

El estado fundamental está, por consiguiente, degenerado y no respeta la simetría del grupo SU(2)_L × U(1)_Y. Sin embargo, sí conserva la simetría del grupo U(1)_em. El valor de cup ? indica la escala de energía a la que se produce la ruptura de la simetría electrodébil. La ruptura SU(2)_L × U(1)_Y Phi  U(1)_em se produce cuando se selecciona un estado del vacío concreto. La elección habitual es aquella que hace que Phi ₃ sea no nulo:

Espectro de partículas

El espectro de partículas físicas resultantes se construye realizando pequeñas oscilaciones en torno al vacío, que pueden ser parametrizadas en la forma:

donde el vector y el escalar h(x) son campos pequeños correspondientes a los cuatro grados de libertad reales del campo . Los tres campos son los bosones de Goldstone, de masa nula, que aparecen cuando una simetría continua es rota por el estado fundamental (teorema de Goldstone).

En este punto aún tenemos 4 bosones gauge (Wⁱ_?(x) y B_?(x)) y 4 escalares ( y h(x)), todos ellos sin masa, lo que equivale a 12 grados de libertad (Conviene notar que un bosón vectorial de masa nula posee dos grados de libertad, mientras que un bosón vectorial masivo adquiere un nuevo grado de libertad debido a la posibilidad de tener polarización longitudinal: 12 = 4[bosones vectoriales sin masa] × 2 + 4[escalares sin masa]). P. W. Higgs fue el primero en darse cuenta de que el teorema de Goldstone no es aplicable a teorías gauge, o al menos puede ser soslayado mediante una conveniente selección de la representación. Así, basta con escoger una transformación:

de forma que:

con lo cual desaparecen los tres campos de Higgs no físicos . Debemos aplicar estas transformaciones sobre la suma de las Lagrangianas para bosones y fermiones:

Al final del proceso, tres de los cuatro bosones gauge adquieren masa al absorber cada uno de los tres grados de libertad eliminados del campo de Higgs, gracias a los acoplamientos entre los bosones gauge y el campo Phi presentes en la componente cinética de la Lagrangiana SBS:

Por otro lado, el vacío de la teoría debe ser eléctricamente neutro, razón por la que no existe ningún acoplamiento entre el fotón y el campo de Higgs, h(x), de forma que aquél mantiene una masa nula. Al final, obtenemos tres bosones gauge masivos (W^±_?, Z_µ), un bosón gauge sin masa (A_?) y un escalar con masa (h), por lo que seguimos teniendo 12 grados de libertad (del mismo modo que antes: 12 = 3[bosones vectoriales masivos] × 3 + 1[bosón vectorial sin masa] × 2 + 1[escalar]). Los estados físicos de los bosones gauge se expresan entonces en función de los estados originales y del ángulo de mezcla electrodébil ?_W:

Ángulo de mezcla

El ángulo de mezcla ?_W, se define en función de las constantes de acoplamiento débil, g, y electromagnética, g´, según:

Las predicciones de las masas de los bosones a nivel de árbol son:

donde (e es la carga eléctrica del electrón):

 Masa del bosón de Higgs

La masa del bosón de Higgs se expresa en función de ? y del valor de la escala de ruptura de simetría, ?, como:

La medida de la anchura parcial de la desintegración:

a bajas energías en el SM permite calcular la constante de Fermi, G_F, con gran precisión. Y puesto que:

se obtiene un valor de ? = 246 GeV. No obstante el valor de ? es desconocido y por tanto la masa del bosón de Higgs en el SM es un parámetro libre de la teoría.

 Bosones gauge y fermiones

Análogamente al caso de los bosones gauge, los fermiones adquieren masa mediante los denominados acoplamientos de Yukawa, que se introducen a través de una serie de nuevos términos en la Lagrangiana:

donde:

Del mismo modo que antes, se aplica la transformación sobre la parte levógira de los fermiones, mientras que la parte dextrógira no se transforma:

Y finalmente se obtienen las masas de los fermiones según:

Es conveniente hacer notar en este punto, que la determinación de la masa del bosón de Higgs, no explica directamente las masas fermiónicas ya que dependen de las nuevas constantes ?_e, ?_u, ?_d, … Por otro lado, se deduce también el valor de los acoplamientos del bosón de Higgs con los distintos fermiones y bosones, los cuales son proporcionales a las constantes de acoplamiento gauge y a la masa de cada partícula.

Ya tendremos más sobre el tema

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La galaxia que junto a la Vía Láctea, dominan en el Grupo Local de galaxias y que, dentro de unos miles de millones de años, si nada lo remedia, se fusionará con la nuestra para formar, una inmensa galaxia de inimaginables dimensiones. ¿Qué pasará con tántos mundos y tantas estrellas cuando eso ocurra? ¿Os imagináis las fuerzas de marea que se producirán, las colisiones, las fusiones de agujeros negros? De hecho, se está acercando a nosotros a una velocidad de 300 km/s.

Una nueva investigación científica, que ha utilizado el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, sugiere que el misterioso brillo infrarrojo visible en todo el firmamento, proviene de estrellas errantes desprendidas de las galaxias. Cuando las galaxias crecen, se fusionan y se enredan gravitacionalmente en un proceso violento que da lugar a corrientes de estrellas que se desprenden de las galaxias. Tales corrientes, llamadas colas de marea, se puede ver en este concepto artístico. Crédito de la imagen: NASA / JPL-Caltech / Universidad de California en Irvine.

                                No me gustaría estar presente para cuando eso suceda

La galaxia Andrómeda, o M31 que aparece en la primera imagen que podéis contemplar aquí, está sólo a unos dos millones de años-luz o, lo que es lo mismo, a diecinueve trillones de kilómetros de distancia, y se trata de uno de los cuatro vecinos galácticos más próximos a nosotros. Las medidas realizadas sobre la velocidad de las estrellas de la galaxia Andrómeda revelan que se mueven con gran rapidez. De hecho, estas estrellas abandonarían la galaxia y “volarían” libremente por el espacio si no estuvieran ligadas por los hilos invisibles de esa fuerza que llamamos Gravedad y que, en este caso, parece estar generada, principalmente, por un objeto invisible pero muy masivo que habita en el centro de esa galaxia hermana.

Un planeta suficientemente masivo puede alterar la órbita de su estrella, de manera medible por medio de su velocidad radial. Imagináos que no podrá incidir un agujero negro de dimensiones inimaginables y una masa de miles de millones de veces la del Sol, sobre su entorno local que, en ese caso, podría incluso abarcar a una galaxia entera.

Galaxia de Andrómeda en ultravioleta. Mosaico de imágenes tomadas por el telescopio GALEX.

Andrómeda, por ser una de nuestras más interesantes vecinas, ha sido muy bien estudiada por los astrónomos y se sabe que es una gran galaxia y que tiene, un misterioso objeto en su centro que, no siendo de inmensas dimensiones, sí que tiene una desmesurada cantidad de masa que se acerca a los cincuenta millones de veces la masa de nuestro Sol. Ese masivo pero extremadamente compacto objeto situado en su centro, según todos los indicios es ¡un agujero negro!

Una investigación internacional revela que un agujero negro de la galaxia de Andrómeda emite, en ocasiones, más luminosidad de la esperada para su masa. El hallazgo, publicado en la revista Nature, le confiere características de una fuente de rayos X ultraluminosa. Uno de los numerosos agujeros negros presentes en la vecina galaxia de Andrómeda ha puesto patas arriba los modelos de emisión de rayos X al descubrirse que la luminosidad que emite puede llegar a superar aquella que le correspondería en función de su masa.

Una serie de fórmulas matemáticas establece cuál debe ser la luminosidad máxima de un objeto cósmico en función de su masa –conocida como la luminosidad de Eddington-. Por encima de este límite, por ejemplo, una estrella normal se descompondría. Para un agujero negro de masa una decena de veces superior a la del Sol, esta cifra es de 1×10³² vatios, un millón de veces mayor que la luminosidad del Sol.

Este fenómeno se debe a la propia configuración del agujero negro, que pertenece a un sistema binario en el que él y su estrella acompañante orbitan mutuamente entre sí a gran velocidad. Durante este baile cósmico, parte de la materia de la estrella es atraída y absorbida por el agujero. Antes de ser engullida, esta materia crea un disco de acrecimiento alrededor del agujero negro y emite intensamente en rayos X.

Es en este momento cuando puede medirse la luminosidad del objeto y su masa, ya que, como comenta la investigadora del CSIC, “un agujero negro que no interactúa con ningún otro objeto no puede ser observado porque no emite luz”.

El Agujero Negro superlumiso en la galaxia vecina Andrómeda ha causado gran conmoción en la comunidad científica por salirse de los cánones establecidos y, como este caso, no pocas veces, los astrónomos han quedado sorprendidos al observar anomalías que, en un principio no tenían ninguna explicación para ellos. Sin embargo, la obervación astronómica y los aparatos tecnológicos que cada vez son más eficientes, nos van dando las respuestas a todas nuestras dudas que, de todas las maneras que lo podamos mirar, son aún, ¡infinitas!

emilio silvera

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