Psicofonías

(algo así como el blog de Psicobyte)

Mañana, el LHC

Aviso: Post desesperadamente largo y probablemente aburrido. Para colmo de males, las cosas no són exactamante como las cuento. En cualquier caso, todo error en este post es producto exclusivo de mi ignorancia.

Como incentivo, al final del post hay una foto de una señorita semidesnuda (Siempre puedes saltarte el texto e ir directamente al final).

Si le preguntas a algún físico de partículas por el "Modelo Estándar" te dirá que es casi perfecto.

El modelo estándar describe las partículas, sus propiedades, y cómo interactúan entre ellas. En principio se podría deducir a partir de él toda la física o la química, aunque los cálculos para ello serían inenarrablemente complejos. Está muy lejos de ser completa, tiene un montón de lagunas, zonas neblinosas, y como una veintena de variables que no se deducen de la propia teoría y que molestan mucho a los físicos, pero el caso es que sus resultados son espectaculares.

De vez en cuando un físico teórico, con sus ecuaciones y sus ordenadores llama a los físicos experimentales y les dice "pon el acelerador en marcha y mira en tal sitio, que debería haber una partícula con estas características". Entonces, los físicos experimentales (a los que, aunque no siempre lo admitan, les encanta dejar en ridículo a los de las ecuaciones) hacen el experimento en cuestión, miran en su cámara de burbujas, y voilà, ahí está el bicho de los teóricos.

En 1954, unos tipos llamados C. N. Yang y R. L. Mills publicaron un artículo teórico (Conservation of Isotopic Spin and Isotopic Gauge Invariance) de contenido básicamente hipotético. Se taraba de una de esas cosas llenas de fórmulas matemáticas que yo soy incapaz de entender (y mucho menos explicar) Pero a la que podemos hacer una somera aproximación:

La fuerza electromagnética se transmite entre partículas cargadas por medio de fotones. Aunque una partícula puede estar cargada positivamente o negativamente sólo hay un tipo de carga eléctrica, pero ¿Qué pasaría si hubiera más de un tipo de carga?

Que sepamos, hay cuatro fuerzas en el universo (lo siento, el amor no es una de ellas).

La interacción electromagnética es la más conocida y la que más afecta a la materia en nuestra "vida cotidiana". afecta las partículas con carga eléctrica y es transmitida por el intercambio de fotones.

La interacción fuerte opera entre los quarks y las partículas formadas por ellos (hadrones), como el neutrón y el protón, por medio de los gluones.

La interacción debil afecta a los fermiones (quarks, electrones, neutrinos, muones y tauones) lo que significa que afecta a casi todo lo que podemos llamar "materia" y opera por medio de tres partículas, los bosones W- W- y Z.

La interacción gravitatoria es la mas débil de todas ellas, afecta a las partículas con masa, y si le preguntas a un físico cuántico por ella, comenzará a mirarse la punta de los zapatos y retorcerse los dedos mientras murmura cosas sobre "gravitones", pero la verdad es que es la la gran desconocida y todavía no lo tienen nada claro.

Yang y Mills elaboraron una serie de reglas (simetrías) que toda interacción debería cumplir y llegaron a la conclusión de que, si ese fuera el caso, debería haber más de un tipo de "fotón" para transmitir las distintas interacciones. Además, todos esos "fotones" debían interactuar (con las partículas y entre ellos mismos) con la misma fuerza y, (lo que es mas importate para nosotros ahora) todos ellos debían tener masa 0 (que, por otro lado, es la que tienen los fotones de toda la vida).

Para los físicos, una simetría es, a grandes rasgos, algo que puedes modificar sin que cambien los resultados. Tú puedes construir una linterna en casa o en la calle, pero funcionará igual (simetría espacial), puedes hacerlo ahora o mañana, pero las leyes que rigen su funcionamiento siguen siendo las mismas (simetría temporal) puedes rotarla o construir una versión especular (como si fuera su imagen en un espejo) y no habrá diferencia (esto último no es cierto para algunos procesos físicos, pero para una linterna vale). Puedes incluso hacer cosas más sofisticadas, como cambiar el voltaje de ambos polos de la bombilla (sin cambiar la diferencia entre ellos) sin que esta se funda ni notes diferencia alguna...

Las simetrías son conceptos fundamentales en física ¿Te suenan de las "Leyes de conservación"? Pues todas ellas son efecto de alguna simetría.

El artículo en cuestión no tuvo demasiado eco en su momento (entre otras cosas, porque era demasiado "hipotético"), pero despues (con el descubrimiento de los quarks y esas cosas) se reveló como una pieza fundamental de la física de partículas.

Cuando, mas tarde, Sheldon Glasgow andaba investigando una fuerza llamada "Interacción débil", se encontró con algo interesante. Para que se diesen estas interacciones, debían existir tres clases de partículas mediadoras (haciendo el papel de los fotones en la interacción electromagnética) con espin 0 y que además interactuasen entre ellas. Precisamente como habían supuesto Yang y Mills. De hecho, sus deducciones encajaban fantásticamente con las simetrías que estos habían supuesto.

A estas partículas se les puso el aburrido nombre colectivo de "bosones vectoriales". Para acabar de redondear lo de los nombres feos, se las llamó, respectivamente, W+ W+ y Z.

Una forma de ordenar las partículas es entre "fermiones" y "bosones". Se diferencian en una propiedad llamada "spin" pero, a efectos prácticos, la cosa consiste en que los fermiones (electrones, por ejemplo) cumplen el "Principio de exclusión de Pauli", que dice que no puede haber dos de ellos en un mismo estado (un estado cuántico es la descripción de las propiedades de una partícula, algo así como "donde está y que está haciendo"). Los bosones (fotones, por ejemplo) por su parte, no solo no respetan esta regla, sino que tienden a adoptar el mismo estado (digamos a hacer las cosas juntos). Por eso puedes hacer un laser de fotones, pero no de electrones.

La otra diferencia (y muy importante) es que el número de fermiones debe conservarse (esto no es exactamente cierto, pero ya nos vale), mientras que el de bosones no. Para complicar las cosas, una partícula que esté formada por un número par de fermiones es un bosón.

En física cuántica, todas las fuerzas son transmitidas por intercambio de partículas. Por ejemplo: La interacción electromagnética es transmitida por el intercambio de fotones. Todas estas partículas que se intercambian en las interacciones son, necesariamente, bosones.

La interacción débil es de muy corto alcance, y hay una especie de regla que dice que, cuanto menor es el alcance de una interacción, más masa debe tener la partícula que la transmite. Por lo que Glasgow supuso que los bosones vectoriales debían ser realmente pesados. Pero, como hemos visto arriba, las simetrías de Yang y Mills exigían que la masa de estas partículas fuese exactamente de cero.

De todos modos, Glasgow les dijo a los tipos de los aceleradores qué tenían que buscar, y en el acelerador LEP del CERN encontraron las grandes W+, W+ y Z0 que predecía Glasgow.

La cosa no tenía mucho sentido, hasta que otros dos teóricos, Weimberg y Salam, echaron mano del "mecanismo de Higgs".

Años antes, un tipo llamado Peter Higgs había escrito otro artículo, este titulado "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons", en el que postulaba un mecanismo por el que un campo podía dotar de masa (o algo indistinguible de la masa) a las partículas. Higgs, haciendo una especie de analogía con los superconductores, suponía que el "vacío" está en realidad lleno de partículas (bosones, para ser exactos) en un peculiar estado cuántico llamado "condensado de Bose", con la peculiaridad de que un espacio lleno de estas partículas tenía una menor energía que uno si ellas. Estos bosones podían afectar al movimiento del resto de partículas de un modo que fuese indistinguible de los que llamamos "inercia".

La explicación mas usual e intuitiva que he leído del "mecanismo de Higgs" es parecida a la siguiente:

Supón una sala en la que hay una fiesta, con la gente uniformemente distribuida (esa gente es el campo de Higgs) a la que entra una famosa estrella de cine. La gente de la fiesta que está mas cerca de la estrella se agrupa en torno a ella, dificultando su avance y haciendo que este sea más lento.

Pero, una vez en movimiento, el grupo de gente (nuevos fans se sumarán y otros se retirarán, pero siempre hay un montón de gente alrededor de la estrella) avanza con ella, haciendo más difícil que esta detenga su marcha, o incluso que trate de ir más deprisa o cambiar de dirección.

Y, precisamente, esa dificultad para cambiar de velocidad o dirección es lo que llamamos "masa inercial".

La unión del modelo de Glasgow con el mecanismo de Higgs encaja perfectamente con las simetrías de Yang y Mills y, lo que es más importante, cuadra de un modo espléndido con los experimentos. Pero deja una puerta abierta a la pregunta obvia de que, si el mecanismo de Higgs es capar de dotar de masa a los bosones vectoriales ¿No será también la causa de la masa de todas las partículas?

Cuando se descubrió que los hadrones estaban en realidad hechos de quarks, y que estos también se podían ajustar a las simetrías de Yang y Mills, el mecanismo e Higss pareció aun mas necesario.

Se llama hadrones a las partículas sobre las que actúa la interacción fuerte (O, por lo que sabemos ahora, que están compuestas de quarks). Hay muchos tipos, pero los que tiene mas efecto en tu vida cotidiana son los neutrones y los protones, que forman el núcleo de los átomos.

Neutrones y protones están formados, cada uno, por tres quarks que reciben los absurdos nombres de up y down. Concretamente el neutrón tiene dos down y un up, y el protón tiene dos up y un down.

Los físicos experimentales arrancaron sus aceleradores y se pusieron a la caza del bosón de Higgs, pero nu hubo manera de encontrarlo: Hacía falta más energía de la que sus máquinas podían dar.

Pero, caundo modificaron el acelerador LEP para que tuviera aún más potencia, sus resultados fueron ambiguos pero esperanzadores: Había algo que podía ser el rastro del Higgs, pero haría falta más energía para poder estar seguros.

LEP: Large Electron-Positron collider. Gran colisionador de Electrones-Positrones.

Pero darle más energía al LEP se estaba volviendo demasiado difícil. Allí aceleraban electrones y positrones, que son unas partículas pequeñas y ligeras (lo que viene muy bien para obtener resultados claros y con poco ruido). Cuando aceleras en un anillo una partícula cargada (y para acelerarla tiene tener carga) esta empieza a emitir energía (radiación sincrotón), que hace que pierdas parte del impulso que pretender darle. Y emite más cuanto más rápido gire.

Sólo hay dos formas de solucionar esto: O haces un acelerador con un radio mayor (para que la curvatura sea menor) o aceleras partículas más grandes (para que puedan tener más energía a menos velocidad).

Aumentar de tamaño un monstruo como el LEP se sale de cualquier presupuesto, de modo que alguien pensó "Aprovechemos las instalaciones del LEP pero, en lugar de acelerar pequeños electrones, vamos a acelerar protones, que son mucho más grandes". Y así nació el LHC.

LHC: Large Hadron Collider. Gran Colisionador de Hadrones.

El LHC acelera protones (que son hadrones, como hemos visto más arriba, y de ahí el nombre el acelerador), con lo que puede conseguir mucha más energía en un anillo del mismo tamaño, sin que la radiación sincrotón se te dispare demasiado, paro para construirlo hubo que desmontar el LEP, que era un acelerador precioso que había dado unos resultados estupendos y al que los físicos europeos le tenían mucho cariño (Según dicen, los americanos le tienen menos cariño, porque el LEP es una de las razones de que se hayan quedado un poco atrás en esto de la física de patículas).

Y ya está el LHC terminado, y mañana lo ponen en marcha. En realidad, sólo son las primeras pruebas y aún no va a funcionar a plena potencia ni a colisionar nada, pero ya hay gente diciendo que lo apaguen, que es un chisme muy peligroso, y que va a provocar el fin del mundo.

Hay un montón de teorías que intentan describir el universo más allá del modelo estándar (Supersimetrías, Supercuerdas, Gran Unificación, Gravedad Cuántica...) y los partidarios de todas ellas están mirando al LHC (con la posible excepción de las Supercuerdas, pero esta es otra historia). No sé si van a encontrar el bosón de Higgs (personalmente, es una partícula que me parece muy fea) pero, tanto si está ahí como si no, seguro que se descubren montones de cosas fascinantes.

Lo que seguro que no pasará es que se acabe el mundo. Te apuesto lo que quieras. Pero, como ya es muy tarde y esto se me ha alargado de más (son las tantas de la noche y mañana me voy de viaje), dejo para la semana que viene el contarte por qué no hemos sido destruidos por un agujero negro ni nada por el estilo. Prometo que, entonces, sí seré breve.

Ah, se me olvidaba. La señorita que te prometí:

Señorita semidesnuda
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Comentarios:
# [9 de Septiembre de 2008 a las 12:06] Arkangel
Lo de apostarte lo que quieras a que no se va a acabar el mundo tiene su punto, no creas. :P
# [9 de Septiembre de 2008 a las 12:34] Hermes
No hace falta que nos expliques brevemente por qué no nos destruye un agujero negro ni nada por el estilo. Yo también apuesto lo que quieras a que no es el fin del mundo, todo tiene su tiempo...Si fuera físico preferiría ser de los teóricos puesto que para mí sería una gozada saber el porqué las ecuaciones de Maxwel que unificaron la electricidad y el magnetismo son tan elegantes. Apuesto a que esa elegancia sería una de las claves para una teoría final. Eso sí lo apuesto. Y que se rían los experimentales.
# [9 de Septiembre de 2008 a las 12:58] Hermes
Por cierto Allan, lamento contrariarte pero el Amor sí que es una de las fuerzas fundamentales del Universo ¿o es que acaso no has leído al grandísimo y divino Dante?. Donde los físicos no llegan los poetas (y profetas) lo hacen...y sobradamente. A ver si hay más comentarios que sois muy aburridos.
# [9 de Septiembre de 2008 a las 15:32] Hermes
"El universo elegante" de Brian Greene
Recomendable.
# [9 de Septiembre de 2008 a las 15:59] Quettaheru
Recién acabados los exámenes, empezaré en breve con "El universo elegante". No sé si estoy preparado, pero bueno. Si no lo estoy, nadie se enterará, moriremos todos tragados por un agujero negro, o muy oscuro. Vamos, digo yo.
# [9 de Septiembre de 2008 a las 16:00] Quettaheru
Por cierto, muy buena la explicación.


(Y la señorita semidesnuda)
# [9 de Septiembre de 2008 a las 17:03] Desafecto
Yo siempre me he imaginado a los electrones como en la foto. Y explica como se reproducen los micronianos, que ya descubrirán que están detrás de la fuerza débil (salvo en el cuerpo de los jedais, que es más fuerte, claro)
# [9 de Septiembre de 2008 a las 19:02] Antonio
Con esa explicación, y con la foto de la dama, queda claro que el tamaño sí importa.

Un Abrazo.
# [9 de Septiembre de 2008 a las 19:11] Carlos Luna
Yo también me apostaría cualquier cosa a que el mundo no se acaba... total, si pierdo tampoco voy a pagar.

Por lo demás... soy de esa clase de personas a las que les gusta más la explicación (tocho) sobre bosones y hadrones que la señorita semidesnuda a baja resolución. Gracias por el post, buen viaje y hasta la vuelta.
# [10 de Septiembre de 2008 a las 12:03] Hermes
Hoy es un día feliz para la ciencia y será muy interesante observar el desarrollo de los experimentos y las posibles conclusiones parciales. De todas maneras espero que no se nos cuele Depredator por un pequeño agujero de gusano, ahora, una marciana parecida a la de la foto encantados ¿no? o un marciano para las féminas.
Quettaheru: no te dejes los exámenes para segundas convocatorias, hombre.
# [10 de Septiembre de 2008 a las 14:37] XanatoS
Yo he de reconocer que me he leido la primera frase, y me he ido al final del post para ver a la chica semidesnuda.
# [10 de Septiembre de 2008 a las 17:02] vengoroso
Excelente el artículo, Allan :-)
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Ya se han completado los primeros giros de los haces de protones en ambos sentidos. Todo está alineado y funcionando perfectamente. Ahora, ¡a ir aumentando la velocidad! Las primeras colisiones se esperan para el 21 de Octubre.
# [13 de Septiembre de 2008 a las 18:31] Allan Psicobyte
Arkangel: Siempre que hagas una apuesta relativa al fin del mundo, apuesta en contra. Es la única manera de tener posibilidades de ganar algo (escepto par algunas religioes, como los testigos de Jeovah, que han "adivinado" el fin del mudo para determinada fecha varias veces y seimpre fallan, y alguna gente sigue creyendo en ellos).

Hermes: Es que la definición de "elegancia" en este contexto es bastante escurridiza. Si ahondas mucho en ella parece reducirse a "es elegante porque concuerda con los hechos", con lo que una auténtica teoría sería elegante casi por definición. Y eso es bastante menos misterioso.

Respecto a Dante, y pese a que lo he intentado, no he podido leerlo.

Quettaheru: Gracias (y también de parte de la señora).

Desafecto: :0)

Carlos luna: Justamente, es la única apuesta razonable.

Por eso la he puestio así: Si la señorita tiviera mejor resolución, mis hadrones perderían en la comparación ;o)

Xanatos: Es una actitud más que razonable.

vengoroso: Y el 21 acabará el mundo :o)

De todos modos, unque la prensa empezará a sacar titulares espectaculares mucho antes, habrá que esperar en torno a un par de años para tener resultados decentes de todo esto...
# [13 de Septiembre de 2008 a las 20:17] TriSmegisto
¿Una teoría es elegante porque concuerda con los hechos? Pues a mí hay teorías que me parecen horribles y sin embargo PARECEN concordar con los hechos. En el terreno de la biología ¿ no te parece que la teoría de Darwin concuerda con los hechos? sin embargo a muchas personas nos parece poco elegante y bastante fea por emplear una palabra amable. Resumiendo, pueden haber teorías que, insisto, PARECEN concordar con los hechos y sin embargo son extremadamente inelegantes y bastante feuchas, por no decir directamente mentiras camufladas, como el ejemplo que te he puesto darwiniano.(lo siento pero mi pequeña base cultural hace que no pueda recordar otro ejemplo de teoría, pero si alguien se anima...)
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