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ENCIENDE es un proyecto de la COSCE |
BOLETIN ENCIENDE - Nº 9 | Noviembre 2013
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¿Por qué es tan importante el Higgs?
Por Antonio Dobado González
Los constituyentes básicos de la materia
Todo lo que nos rodea, incluyendo los seres vivos y nuestros propios cuerpos, está formado por un número muy pequeño de partículas elementales. Galaxias, estrellas, planetas, casas, coches, teléfonos, ratones, bacterias, virus, moléculas, átomos, núcleos atómicos, protones y neutrones. Todas estas cosas están hechas de electrones y quarks.
Los electrones y los quarks son partículas elementales, es decir, aparentemente son simples y no están hechos de otras cosas más simples. Sin embargo tienen ciertas propiedades como masa o carga eléctrica, y otras más exóticas como el espín, el color y el sabor, aunque estos últimos no tienen nada que ver con lo que llamamos habitualmente color y sabor sino, que representan ciertas características del comportamiento de estas partículas en presencia de otras similares.
En todo caso la masa sí que es un concepto familiar para todo el mundo. Representa la resistencia que opone un objeto a cambiar su estado de reposo o movimiento y desde Einstein también sabemos que es una medida del contenido energético.
El descubrimiento del Higgs en 6 minutos El origen de la masa
Sin embargo, el origen de la masa ha sido siempre un misterio. O al menos lo era hasta que hace casi 50 años Higgs, Englert, Brut (éste último ya fallecido) y otros científicos, idearon el mecanismo que lleva el nombre del primero y podría explicar porqué las partículas tienen masa. Según Peter Higgs existe un partícula que crea un campo, como el campo eléctrico o gravitacional, pero que presenta la propiedad de que cuando una partícula sin masa se propaga en su interior, se produce una interacción que a efectos prácticos se traduce en un comportamiento dinámico de la partícula como si realmente tuviera masa. Y a mayor interacción mayor masa. Inicialmente este mecanismo era sólo una conjetura teórica pero Higgs se dio cuenta de que de ser cierto implicaría que la partícula responsable del mismo, hoy llamada bosón de Higgs en su nombre, podría producirse y detectarse en las condiciones apropiadas. Sin embargo la propia masa del Higgs era desconocida con lo cual no era obvio cuando se podrían dar estas condiciones en los laboratorios de física de partículas de los que se disponía.
¿Cómo se produce el Higgs?
El LHC (Large Hadron Collider) es probablemente el experimento científico más complejo y sofisticado jamás construido.
Hace algo más de un año, el CERN, el laboratorio europeo para la investigación en física de partículas situado en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra, anunciaba el posible descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC.
El descubrimiento del Higgs no es solo una conquista científica de primera magnitud. Se trata también de un desafío tecnológico sin precedentes. La construcción del LHC ha requerido del esfuerzo de más de 5000 físicos e ingenieros de más de treinta países durante unos treinta años.
Se encuentra alojado en un túnel circular de 27 km de longitud en las proximidades de Ginebra. En su interior los protones son acelerados en ambos sentidos hasta energías de 8 TeV y se les hace colisionar en ciertos puntos donde se encuentran los enormes detectores ATLAS, CMS, LHCB y ALICE (en este caso se utilizan iones de plomo en lugar de protones) que son probablemente los sistemas electrónicos más sofisticados jamás construidos. Para mantener los protones en su trayectoria son necesarios 1232 imanes dipolares superconductores de 15 metros de largo cada uno, que trabajan a una temperatura de -271.3º. Otros 392 imanes cuadrupolares de entre 5 y 7 metros focalizan el haz de protones para conseguir la densidad necesaria y por tanto la luminosidad requerida para este experimento.
La consecuencia de todo este dispositivo es que el ritmo de las colisiones y la consiguiente producción de partículas es tan grande que la cantidad de datos producidos que deben ser analizados asciende a más de 10 Petabytes anuales.
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Más información
En el vídeo de CONEC que te hemos mostrado antes se explican de forma clara y entendedora todos los conceptos expuestos en este artículo:
 Y, además, te puede gustar este enlace a la página de Ciencia del New York Times (en inglés), donde se explica el Higgs con una sencilla y bella metáfora, interpretada por un dibujante. Échale un vistazo.
Algo más sobre las instituciones de investigación...
El CERN, el Centro Europeo de Investigación Nuclear, ofrece en este enlace (en inglés) cursos, presentaciones, vídeos, etc., dirigidos a profesores y estudiantes, sobre las actividades que se desarrollan en la institución.
 El CPAN en el Instituto es una actividad divulgativa organizada por el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN) que quiere acercar a los centros educativos españoles algunos de los temas más importantes en los que están trabajando sus investigadores. Puedes encontrar informaciones útiles para tus clases de secundaria: www.i-cpan.es.
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Para el profesor
Os aportamos información adicional con un poco más de base física y un libro (breve y conciso) que os puede interesar para profundizar en el descubrimiento...
¿Cuál es la verdadera significancia del descubrimiento del Higgs?
El Higgs constituye la última pieza que nos faltaba del llamado modelo estándar. Esta teoría explica la estructura de toda la materia conocida en términos de seis tipos de los quarks (u, d, c, s, b y t) y los leptones (electrón, muón y tau) con sus correspondientes neutrinos.
Las diferentes interacciones, se producen entre ellos, a saber las nucleares, débiles y electromagnéticas, se interpretan como resultado del intercambio de los llamados bosones gauge, a saber, gluones, W+, W-, Z y fotón. Así los quarks u y d intercambian gluones para formar protones y neutrones que a su vez forman los núcleos atómicos que, mediante el intercambio de fotones con los electrones, dan lugar a los átomos de los que están compuestos las moléculas, incluyendo las macromoléculas de la bioquímica de las que están compuestas los seres vivos.
Así, el modelo estándar podría estar en principio en la base de la explicación científica de prácticamente todos los fenómenos naturales conocidos con excepción de la gravitación, la materia oscura y la energía oscura que dan lugar a la expansión acelerada del Universo descubierta a finales del pasado siglo. Sin embargo, además de las partículas elementales antes mencionadas, el modelo estándar requiere de la existencia de al menos una partícula adicional para describir completamente el comportamiento de aquellas. Dicha partícula debería ser responsable de las masas de los bosones W+, W-, Z así como de las de los quarks y leptones. De esta forma, con el posible descubrimiento del Higgs nos encontraríamos en la situación de haber descubierto todas las partículas que componen el modelo estándar cerrándose así una gran capítulo de la física fundamental moderna.
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Este recurso ha sido preparado por Antonio Dobado González, que investiga en el Departamento de Física Teórica I de la Universidad Complutense de Madrid.
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