¿Qué es el bosón de Higgs? ¿Por qué dicen que es la última pieza del puzzle? ¿A qué tanto revuelo con el Gran acelerador de hadrones del CERN? Y ya puestos… ¿Qué es un acelerador de partículas?

A principios de los 70 se desarrolló el Modelo Estándar de física de partículas sobre la base de numerosas teorías anteriores. Este modelo es una teoría cuántica de campos, que combina la Mecánica cuántica con la Teoría especial de la relatividad de Einstein. Es una teoría compleja que establece una serie de ecuaciones matemáticas que predicen la existencia de un gran número de partículas subatómicas con distintas características y que describen las interacciones entre ellas. Describe muy bien el Universo que nos rodea con una excepción: no incluye la gravedad. Así que es, conscientemente, una teoría parcial y cualquier descubrimiento que permitiera confirmarla o refutarla sería bien recibido por la comunidad científica, pues ello comportaría seguir avanzando en el conocimiento de la materia y la energía.

Todas las partículas que se mueven a la velocidad de la luz carecen de masa. Comoquiera que no todas alcanzan esa velocidad en sus desplazamientos, es de suponer que ese freno provenga de su masas. Una partícula virtual —deducida a partir del modelo pero que no se ha podido constatar su existencia— es el bosón de Higgs, al que le correspondería explicar la existencia de la masa.

Según la mecánica cuántica, no existe distinción entre ondas y partículas: toda onda es partícula y toda partícula es onda. Por ello al bosón de Higgs también le corresponde una onda de Higgs, que vibra u oscila en una dirección o de una manera determinada que le es propia. Y al igual que hablamos de campo electro-magnético podemos hablar de campo de Higgs.

Y este campo formado por las partículas cuyas ondas oscilan en la misma dirección es el responsable —en teoría— de que los cuerpos tengan masa. ¿Y cómo?

Imaginemos una autopista de una longitud infinita y con un número de carriles infinitos, completamente llena de automóviles que se desplazan en la misma dirección moviéndose conjuntamente en un monumental atasco. Y no solo eso, imaginemos también que sobre esta autopista, sin mediar espacio, hay otra igual y otra más y tanto por encima como por debajo en un número infinito. ¿Hecho? Ahora desechemos el asfalto y quedémonos con los automóviles, que serán las partículas-onda que conforman este campo. Cualquier automóvil que desee circular en la misma dirección que el resto formará parte de dicho campo y no encontrará resistencia por parte de los otros automóviles. Ahora bien, si un automóvil quiere circular en una dirección que se desvíe de la fijada, no tendrá más remedio que ir chocando con otros automóviles, abriéndose paso colisión tras colisión. Este campo de automóviles supondrá un mayor freno al avance cuanto más se separen las direcciones, es decir, chocará más si su dirección de circulación en perpendicular a la del campo.

Entonces, las partículas cuyas ondas asociadas oscilan en la misma dirección que el campo de Higgs no encuentran resistencia y se mueven a la velocidad de la luz, la máxima velocidad posible y que tan solo pueden alcanzar las partículas sin masa. Entonces el fotón —que no tiene masa y se mueve a la velocidad de la luz— oscila en la misma dirección del campo de Higgs y por ello no interacciona con él, podemos decir que no lo nota. Por el contrario, las demás partículas tendrán más o menos masa dependiendo de grado de interacción con el campo de Higgs.

Ahora bien, esto es sobre el papel porque no se ha visto ningún bosón de Higgs. Y eso es lo que pretenden hacer, entre otras cosas, los científicos del CERN. En el Gran acelerador de hadrones acelerarán haces de partículas cargadas eléctricamente hasta velocidades cercanas a la de la luz, por medio de campos electromagnéticos. Y harán chocar frontalmente estos haces para poder analizar sus componentes más básicos cuando estos haces se hagan pedazos. Por supuesto que la colisión dura un instante y que las partículas obtenidas tienen una vida también muy efímera, pero los sensores que recubren el interior de acelerador son capaces de recoger una ingente cantidad de información de ese instante. Información que posteriormente será estudiada a la búsqueda de las trazas del bosón de Higgs y a la confirmación de la teoría.

Nota sabionda: Las observaciones realizadas a lo largo del Universo, han puesto de manifiesto que ciertas órbitas planetarias y galácticas no pueden ser explicadas por los campos gravitatorios de la materia observable. Hay pues una materia que interacciona con el resto de la materia pero que no podemos o sabemos detectar y que se cifra en un 85% del total. Como se mantiene oculta a nuestros ojos, los astrofísicos la llaman materia oscura. Y también esperan obtener respuestras en el acelerador de qué y cómo buscar esta materia.

Nota sabionda: También intentarán conocer cuántas y cuáles son las partículas elementales que componen los átomos. Y buscarán también el “gravitón”, partícula virtual no contemplada en el Modelo Estándar cuya existencia daría un fuerte empujón a la Teoría de las Supercuerdas como teoría unificadora de la Mecánica Cuántica y la Teoría General de la Relatividad.

Nota sabionda: En realidad el átomo no tiene una disposición de “sistema solar” con el núcleo en el centro y los electrones dispuestos en órbitas elípticas, ni los quarks “giran” (spin), ni las pártículas “oscilan” en una dirección determinada, todo ello son simplificaciones para comprender mejor unos conceptos abstractos.

www.sabercurioso.com

Entrada elaborada a partir de la información ofrecida aquí, aquí, aquí y en otros sitios más.

El Sol es la estrella del sistema planetario en el que se encuentra la Tierra y, por ello, es la más cercana a nosotros y la que muestra un mayor brillo aparente. Pero ¿por qué brilla el Sol? ¿cómo hace su luz para llegar hasta nosotros? ¿cómo se refleja en los demás astros?

En el núcleo de las estrellas, la presión y la temperatura son lo suficientemente elevadas como para propiciar que los átomos colisionen entre sí frecuentemente y con violencia. En estas colisiones se fusionan dos o más átomos en uno solo, reacción que recibe el nombre de fusión nuclear. Es este proceso el que permite que el Sol y todas las demás estrellas desprendan energía y brillen.

En nuestro sol, 564 millones de toneladas de hidrógeno son transformadas en 560 millones de toneladas de helio cada segundo. Los cuatro millones de toneladas aparentemente faltantes se transformaron en energía. Una gran cantidad de energía, una cantidad fabulosa de energía, como se puede apreciar aplicando la famosa ecuación de Einstein, que habla precisamente de la equivalencia masa-energía.

Esta energía resultante de las reacciones termonucleares viaja desde el centro hasta la superficie del Sol, donde es radiada en forma de luz al espacio circundante, en el que viaja a una velocidad cercana a los 300.000 km/s. La Tierra intercepta sólo una cantidad ínfima de este flujo generosísimo de energía, y la casi totalidad escapa hacia el espacio interestelar en todas direcciones.

Cuando esta luz encuentra un obstáculo en su camino choca contra la superficie de éste y una parte es reflejada y otra absorbida. Es la luz reflejada la que nos permite ver los diferentes planetas y astros sin luz propia —como la Luna— al igual que nos permite ver los objetos que nos rodean y su color.

Nota sabionda: La velocidad de la luz en el vacío, según la Teoría de la Relatividad de Einstein, es una constante para todos los observadores y se representa mediante la letra c (del latín celeritas). En el Sistema Internacional de Unidades toma el valor de 299.792,458 km/s.
Teniendo en cuenta que la distancia media Sol-Tierra es 1 U.A. (Unidad Astronómica) y equivale a 149.675.000 km, podemos decir que nos hallamos a unos 8 minutos luz del Sol o, lo que es lo mismo, que la luz que vemos en la actualidad hace 8 minutos que se originó en nuestra estrella.

Nota sabionda: Los electrones poseen la extraña cualidad de moverse en determinados orbitales sin consumir energía, pero cuando caen a un orbital inferior de menor nivel energético (más próximo al núcleo) emiten energía en forma de radiación. Algunos de esos saltos producen la radiación visible que llamamos luz.

Respuesta a una consulta de Marcos Lorana

Se trata de la famosa ecuación E=mc² obtenida como un resultado particular de la Teoria de la Relatividad Restringida publicada por Einstein a principios del siglo XX.

La hemos visto centenares de veces, pero… ¿sabemos realmente qué significa?

Sin profundizar en la mencionada teoría, vamos a centrarnos en la ecuación. Sus términos representan:

Entonces, leyendo la igualdad resulta que la energía es igual a la materia multiplicada por un número muy grande (no en vano la velocidad de la luz es 300.000.000 m/s y elevado al cuadrado nos da una cantidad aproximada a 90.000.000.000 90.000.000.000.000.000).

Einstein nos dice que energía y materia son una misma cosa, presentada en diferentes estados. Como el agua y el hielo son también la misma cosa pero en diferente estado (líquido y sólido). Lo que ocurre es que, así como tenemos asimilado el asunto del agua, pues lo hemos visto cientos de veces, no ocurre lo mismo con los términos de la ecuación, ya que el cambio de estado energía-materia y viceversa solamente se da en situaciones especiales.

Y que esa transformación se da en una proporción muy desequilibrada, pues por cada Kg de materia que hagamos desaparecer, aparecerán 90.000.000.000 90.000.000.000.000.000 de Julios de energía, lo que es una barbaridad. Además del fundamento de la bomba atómica y las centrales nucleares.

Por contra serán necesarios 90.000.000.000 90.000.000.000.000.000 Julios de energía para obtener un Kg de materia.