Todo un éxito en el detector CMS del LHC del CERN ayer de madrugada

Hoy, a las 10:00 de la mañana, se ha publicado la foto de la alegría para los colaboradores del detector CMS del LHC del CERN. Ayer por la noche un haz de protones (de baja energía) recorrió más de 500 veces el túnel completo del LHC, luego se inyectó un segundo haz que también dió múltiples vueltas al túnel. Ambos haces pasaron por los experimentos CMS y ALICE. Hoy a las 2:05, los detectores (calorímetros y cámaras de muones) de CMS detectaron trazas de las partículas que recorrieron el túnel mediante una detección de tipo bloqueo de haz (splash event). Todo un éxito. Los protones han recorrido el acelerador completo, todo funciona correctamente. Las primeras colisiones (de baja energía) se esperan para la próxima semana. Los interesados en conocer todos los detalles desde el punto de vista del detector  CMS deben recurrir a “CMS e-commentary for 2009 LHC Beams.” Felicidades, Darin Acosta, un gran trabajo de periodismo desde dentro que todos te agradecemos.

Información en tiempo real sobre lo que está ocurriendo con los haces y detectores en la CMS-TV.

Por cierto, las copas de champán se espera que corran por el LHC el lunes.

El bosón de Higgs aún buscado en los datos de ALEPH en el LEP2 del CERN

La búsqueda del bosón de Higgs continúa. Si el modelo estándar es correcto, el Tevatrón o el LHC acabarán encontrando un Higgs con una masa superior a 114 GeV (límite de exclusión del LEP) en unos 3 o 4 años. ¿Podría estar oculto el bosón de Higgs en los datos almacenados en disco del detector Aleph del ya clausurado LEP2 del CERN? Sí, ya que hay varias posibles desintegraciones que no fueron estudiadas en su momento. Por ejemplo, la desintegración del Higgs en 4 leptones tau (predicha por la supersimetría). Kyle Cranmer de la Universidad de New York y sus colaboradores han buscado esta desintegración en los datos almacenados en los archivos del CERN. Obviamente, no lo han encontrado, sino ya te habrías enterado. Han anunciado los resultados de su estudio en un workshop que ha celebrado los 20 años del detector ALEPH (desmantelado hace 9 años). Sus resultados excluyen esta desintegración para un bosón de Higgs con una masa menor que 105-110 GeV (en función de la masa de una partícula intermedia llamada A). Es realmente curioso que todavía se busque al Higgs en los datos del LEP2. Más aún, hay muchas búsquedas que todavía esperan jóvenes emprendedores que tengan ganas de consumir su valioso tiempo en ellas. Más detalles divulgativos en ”Higgs chased away from another hole,” Resonaances, Saturday, 7 November 2009.  Las transparencias de la charla técnica que presenta los resultados del estudio las podéis leer en Kyle Cranmer, Itay Yavin, James Beacham, Paolo Spagnolo, “Searching Higgs decaying to 4 taus,” 20 years of ALEPH data, Nov. 3, 2009. Por cierto, os gustará leer también la charla de Gavin Davies, “Higgs @ Tevatron (?),” 20 years of ALEPH data, Nov. 3, 2009. Aprovecho la ocasión para recordar alguna información sobre el Higgs a los que aún la ignoren.

El modelo estándar de la física de partículas presenta sólo dos tipos de partículas, fermiones (materia) y bosones vectoriales (campos o mediadores de fuerzas). Muchos cursos de teoría cuántica de campos comienzan con el estudio de los bosones escalares. Son las partículas más sencillas (en matemáticas) y no hay ninguna razón física por la cual no deban existir (en teoría). Todavía no se ha observado ningún bosón escalar en ningún acelerador de partículas. ¿Existen los bosones escalares en la Naturaleza? Todo el mundo piensa que sí. El inflatón (la partícula responsable de la inflación cósmica al inicio del Big Bang) y el bosón de Higgs son los dos bosones escalares más estudiados (teóricamente, claro).

El modelo estándar asume que a alta energía el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil son fuerzas idénticas mediadas por 4 bosones vectoriales sin masa, dos neutros (tipo “fotón”) y dos cargados. Sin embargo, a baja energía observamos 1 bosón vectorial sin masa, el fotón, y 3 bosones vectoriales con masa, dos cargados, bosones W, y uno neutro, bosón Z. El modelo estándar introduce una ruptura de la simetría a energías intermedias que conduce a la aparición de la masa en dichos bosones vectoriales. La ruptura de la simetría es similar a una transición de fase, como la congelación del agua. El agua es isótropa y homogénea, una molécula de agua está rodeada de moléculas de agua en todas direcciones. Sin embargo, el hielo tiene una estructura cristalina hexagonal, cada molécula está rodeada de cuatro en los vértices de un tetraedro regular. La isotropía (simetría) del agua se rompe en el hielo que presenta una simetría más simple (hexagonal).

En teoría cuántica de campos todo son campos o partículas o campo-partículas, que es lo mismo. La ruptura de simetría en la teoría electrodébil es mediada por 4 partículas (campos), en concreto, 4 bosones escalares. A baja energía, la simetría se rompe y 3 de esos bosones escalares desaparecen dotando de masa a los bosones vectoriales W y Z. Sin embargo, el fotón no tiene masa, lo que significa que uno de los bosones escalares permanece a baja energía, es el bosón de Higgs. Esta ruptura de simetría también puede dotar de masa a los fermiones (partículas de materia), tanto leptones (neutrinos y electrones) como quarks. Los detalles teóricos (hay muchas alternativas teóricas) sólo se conocerán cuando se descubra experimentalmente el bosón de Higgs (quizás en el Tevatrón del Fermilab o quizás en el LHC del CERN), si es que se descubre (hay teorías que logran la ruptura de simetría sin ningún bosón de Higgs).

¿Por qué tanto interés en buscar el bosón de Higgs? Por un lado, es una pieza clave del modelo estándar y, por otro, los datos del detector ALEPH en el LEP2 del CERN (figura arriba izquierda) mostraban una evidencia muy fuerte de sus existencia (con una masa entre 114 y 116 GeV). Casi tocaron con la punta de la lengua el bosón de Higgs. Pero el LEP2 tuvo que dejar paso al LHC. Si el bosón de Higgs tiene una masa alrededor de 115 GeV será muy difícil detectarlo en el LHC con lo que el Tevatrón tendrá una oportunidad de oro (aunque en él tampoco es fácil detectarlo con esta masa). Se estima que el Tevatrón Run II funcionará hasta finales de 2011. No se sabe qué pasará más tarde. Los límites de exclusión del bosón de Higgs en el Tevatrón irán bajando desde los 160 GeV actuales (figura arriba derecha), poco a poco, aunque es difícil que bajen tanto como 120 GeV.

 

¿Por qué es difícil observar el bosón de Higgs en el Tevatrón? A las energías del Tevatrón, sólo 1 evento de cada billón será producido por un bosón de Higgs (ver la figura de la izquierda), una sección eficaz (cross section) de menos de 1 pb (picobarn). Aún así las sorpresas son habituales en los grandes aceleradores. La observación de un evento también muy poco probable, un quark top individual (single top en la figura), se logró en marzo de este año (2009). El bosón de Higgs está siendo buscado intensamente en el Tevatrón.

Las posibles desintegraciones del bosón de Higgs con una masa entre 50 y 1000 GeV se presentan en la figura de arriba derecha junto a su fracción de desintegración (branching ration o BR). Para una masa menor de 135 GeV lo más probable es (figura de abajo izquierda) que la colisión de dos quarks produzca un par bosón W y un Higgs (H), desintegrándose el Higgs en un par quark-antiquark de tipo bottom (bb). Para una masa mayor que 135 GeV lo más probable es (figura de abajo derecha) que la colisión de dos gluones produzca un Higgs H que se desintegre en un par WW.

Estas desintegraciones más probables según el modelo estándar y otras menos probables han sido buscadas con ahinco en el Tevatrón, pero todavía no se han logrado observar. Además, otras desintegraciones que se observarían si la supersimetría fuera correcta también han sido ampliamente estudiadas en los datos del Tevatrón. El trabajo de Cranmer y sus colegas nos muestra que también están siendo estudiadas en los datos ya almacenados del LEP2.

¡Imaginad que se descubriera un Higgs entre 80 y 90 GeV oculto en los datos del LEP2! Premio Nobel automático.

Si no lo leo, no me lo creo… un trozo de pan soltado por un pájaro retrasa el LHC del CERN

Si no lo veo, no me lo creo. LHC Cooldown Status. Todos los imanes superconductores del LHC del CERN tendrían que estar fríos a unos 1.9 K sobre el cero absoluto. Sin embargo, como muestra esta imagen, no es así. Ahora mismo hay uno que supera los 9 K y varios por encima de los 2 K. ¿Qué ha pasado? Las leyes de Murphy en acción. Si algo puede pasar, pasará. ¿Qué ha pasado? Alguien, creen que un pájaro, ha soltado un trozo de pan en un transformador de alta potencia en el exterior de las instalaciones del CERN. El resultado un nuevo retraso para las primeras colisiones en el LHC. Supondrá sólo una semana de retraso, pero esto parece cosa del día de los inocentes.

Obviamente, tan mala suerte es sorna en todos los medios (Lubos Motl, The Times, The Register, Popular Science, … y portada en Menéame).

PS (14 Nov. 2009): Se ha publicado la versión oficial de esta noticia en el CERN Bulletin escrita por James Gillies, “The truth about Birds and Baguettes,” que aparecerá en el número del 16 Nov. 2009. En resumen, el corte de luz fue real, se encontró un trozo de pan, pero lo que no se sabe realmente fue la causa del corte de luz. ¿Tuvo algo que ver el trozo de pan? Nadie lo sabe. ¿Quién soltó el trozo de pan? Tampoco lo sabe nadie, quizás llevaba allí mucho tiempo. La historia del pájaro que soltó el trozo de pan es un rumor que corrió por el CERN y se convirtió en noticia en todos los medios. En cualquier caso en poco tiempo se restauró la temperatura de 1.9 K de los sectores afectados y las pruebas del LHC han continuado sin más problemas. Como nos recuerda Gillies, el LHC y el CERN necesitan aparecer en prensa, aunque sea en noticias sobre pájaros y trozos de pan. Que hablen de uno, aunque sea mal, pero que hablen.

 

¡Partículas de nuevo recorriendo parte del túnel del LHC este fin de semana pasado!

El fin de semana pasado (23-25 de octubre) haces de partículas han recorrido de nuevo el túnel del LHC (aunque sin lograr una vuelta completa) tras un descanso de un año debido al incidente de septiembre de 2008. Los haces de partículas han sido generados en el Super Sincrotón de Protones (SPS) del CERN. El viernes por la tarde se introdujo en el LHC un haz de iones de plomo que fue guiado con éxito hasta alcanzar el detector ALICE y más tarde, por la noche, hizo lo propio un haz de protones. El sábado por la tarde, otro haz de protones recorrió el túnel hasta alcanzar el detector LHCb. Todos los indicadores han mostrado que la máquina funciona perfectamente. En las próximas semanas nuevos haces de partículas recorrerán el túnel completo. Nos lo ha contado el servicio de noticias del CERN ”Particles are back in the LHC!,” CERN News, 26 October 2009. Se han hecho eco varios foros como “Beam is back in the LHC,” Symmetry Breaking, October 26, 2009, y “Beam particles re-enter the LHC,” Physics Today, October 26, 2009. Las noticias están ilustradas con la imagen del haz de iones de plomo justo antes de entrar en ALICE.

El bosón de Higgs tiene una masa de 120,7 GeV según predice el físico teórico John Ellis

Los aficionados a Punset y Redes conocen bien a John Ellis, experto del CERN en supersimetría (SUSY), que está escribiendo una serie de artículos muy interesantes en los que utiliza los mejores datos experimentales disponibles para predecir teóricamente lo que el LHC descubrirá en los próximos años utilizando diversas teorías. Su último artículo realiza una predicción espectacular: el bosón de Higgs supersimétrico de menor masa tiene unos 120,7 GeV/c², justo un poquito más del mejor límite inferior de su masa 114,4 GeV/c² según el LEP2. De confirmarse esta predicción teórica, el LHC del CERN encontraría esta partícula con relativa facilidad en un par de años. Nos lo cuenta magistralmente Tommaso Dorigo, tras su retorno de vacaciones, en “The Higgs Mass ? 120 GeV, SUSY Says,” A Quantum Diaries Survivor, August 24th 2009. El artículo técnico es O. Buchmueller et al. ”Likelihood Functions for Supersymmetric Observables in Frequentist Analyses of the CMSSM and NUHM1,” ArXiv, July 31st, 2009, y tiene entre sus autores, además de John Ellis, a otro de los grandes expertos en SUSY, Sven Heinemeyer, y a expertos experimentales como Albert De Roeck y Henning Flächer. Un elenco de autores que garantiza que este artículo no es “moco de pavo.” Más aún, el artículo está muy bien escrito y se lee bastante fácil, con lo que si eres físico (aunque no seas teórico) disfrutarás mucho con su lectura. Para los demás, trataré de no ser muy técnico en esta entrada.

La supersimetría y el Modelo Estándar se pueden “pegar” de muchas formas. La más sencilla es el Modelo Minimal SuperSimétrico (MSSM). Es tan sencilla que tiene un grave problema. Predice que el bosón de Higgs de menor masa (predice 5) debe tener una masa similar a los bosones vectoriales intermedios W y Z de la teoría electrodébil (unos 80 GeV). La Naturaleza es sutíl. Dicho bosón de Higgs no ha sido encontrado. Los límites experimentales indican que el bosón de Higgs, de existir, tiene una masa superior a 114,4 GeV. El “pegado” de dos teorías puede ser “natural” o “forzado.” Si forzamos la máquina matemática de la supersimetría podemos hacer crecer la masa del bosón de Higgs más ligero de la teoría MSSM. ¿Hasta qué límite? Quizás, sin límite. Las retorcidas mentes de los teóricos son así.

Según John Ellis y sus colaboradores, una variante de la supersimetría mínima, llamada CMSSM (C por constrained), predice un valor justo por debajo del límite experimental (un límite extremadamente fiable). La figura que abre esta entrada, izquierda, ilustra el resultado. Casi con completa seguridad esta variante no es el modelo supersimétrico correcto de la Naturaleza.

Pero los físicos teóricos tienen muchas bazas escondidas debajo de su manga. Hay variantes “menos” naturales del modelo MSSM que predicen masas más altas para el bosón de Higgs más ligero. John Ellis y colaboradores consideran el modelo NUHM1 (Non-Universal Higgs Mass). Utilizando dicha variante se obtiene el lado derecho de la figura que abre esta entrada. El valor más probable para la masa del bosón de Higgs más ligero, como indica el título de esta entrada, es de 120,7 GeV. Un valor que abre las expectativas de todos los físicos experimentales, tanto del Tevatrón, que lo están rozando con los dedos, como del futuro LHC del CERN, que podrá detectarlo en sus primeros años de funcionamiento.

El artículo de John Ellis y colaboradores también ofrece estimaciones de la masa de otras partículas supersimétricas, entre ellas, el neutralino más ligero, el mejor candidato para la materia oscura según muchos investigadores. El mejor valor ajustado para su masa es de 120 GeV en ambos modelos teóricos (CMSSM y NUHM1) dado que sus diferencias básicamente afectan al sector del Higgs. Un neutralino con una masa fácilmente alcanzable por el LHC incluso en sus primeros meses de funcionamiento. Una gran alegría para los físicos experimentales. Detectar la supersimetría en los primeros meses de funcionamiento del LHC del CERN, incluso con una energía en el centro de masas relativamente baja, será sin duda uno de los grandes éxitos de la física de partícula elementales del próximo año.

Tanto optimismo teórico nos hace preguntarnos: ¿Estarán sesgados los datos del artículo para darle una alegría a los físicos del CERN? Aparentemente, no, aunque no soy experto, el trabajo parece ser muy riguroso. Eso sí, considerar sólo dos variantes de la supersimetría (entre la “infinidad” que han sido publicadas), supone un sesgo teórico más que evidente.

¿Qué se puede sacar en claro de este estudio y otros similares (como éste de unos días antes)? Por un lado, que los teóricos supersimétricos son optimistas por naturaleza. Por otro lado, que los teóricos pueden “estirar” sus predicciones supersimétricas para alcanzar casi cualquier valor posible para la masa de las superpartículas y del Higgs. Descubra lo que descubra el LHC del CERN, SUSY nos acompañará durante todo el s. XXI. Eso sí, conforme pasa el tiempo “ligar” el modelo estándar con la SUSY es cada día más difícil.

Cómo nos enteraremos del descubrimiento del bosón de Higgs

Mediante un comentario anónimo en un blog que se convertirá en noticia en todos los medios. La primera persona en ver pruebas indudables de la existencia del bosón de Higgs, será eso, una persona. Pasará los datos al resto de sus colaboradores quienes necesitarán meses para confirmar el descubrimiento y escribir un artículo en el que divulgarlo. Miles de científicos que tendrán que tener la boca callada. ¿Podrán hacerlo? Muchos tienen blogs. ¿Lo contarán en sus blogs? No, por miedo a represalias. Según Tommaso Dorigo, alguno de esos científicos comunicará su descubrimiento de forma anónima en los comentarios a una entrada publicada en algún blog. Así nos enteraremos todos de que se ha descubierto el bosón de Higgs: un comentario anónimo. Por supuesto, antes del descubrimiento final habrá varias falsas alarmas, que saltarán a los medios desde revistas como NewScientist. Años más tarde se conocerá el nombre del “valiente” científico anónimo, que pasará a ser famoso. ¿Cómo evitar que esto ocurra? Prácticamente, imposible. Así nos lo cuenta Tommaso Dorigo en ”Where Will We Hear About the Higgs First?,” A Quantum Diaries Survivor, August 14th 2009, donde nos transcribe su conferencia en el World Conference on Science Journalism, en Londres, “Communicating Discoveries in the Blog Era,” July 2nd, 2009.

¿Varias falsas alarmas? Bueno, algo parecido pasó con el quark top (cima), como nos cuenta brevemente Tommaso en “More on the 1992 top controversy,” y muchos otros, como Tony Smith, “1984-1992 Truth Quark History.” En 1984 el Premio Nobel Carlo Rubbia creyó haberlo descubierto en el CERN con un masa de unos 40 GeV, pero más tarde se retractó, las pruebas experimentales indirectas exigían que tuviera más de 100 GeV. En 1992 se observó un evento aislado en el Tevatrón que algunos pensaron que podría ser un quark top (se publicó en New Scientist, June 27th, 1992). La colaboración lo desmintió (Science, July 24th, 1992). La partícula fue finalmente descubierta en 1994 (no sin cierta polémica, pues el evento aislado de 1992 sí correspondía a esta partícula, pero la evidencia en aquel momento no era estadísticamente fiable). ¿Pasará algo parecido con el bosón de Higgs? Posiblemente sí.

El LHC del CERN arrancará en noviembre a media potencia (solo 7 TeV en lugar de 14 TeV previstos)

El CERN lo anunció ayer, tras varios meses de especulación, tras testear las 10.000 soldaduras en contactos no superconductores asociados a los imanes superconductores de la instalación, no es necesario más reparaciones, por lo que se arrancará el LHC en noviembre, pero a una energía más bien baja. Sólo 3.5 TeV por haz de protones, con lo que en el centro de masas se alcanzará la energía de 7 TeV (que será el récord cuando se logre). La pena es que esta energía es exactamente la mitad de los 14 TeV para los que fue originalmente diseñado. Lo leemos en “LHC to start at 3.5 TeV in November,” Symmetry breaking del Fermilab, August 6, 2009, haciéndose eco de la noticia “LHC to run at 3.5 TeV for early part of 2009-2010 run rising later,” CERN Press Release, August 6, 2009. Hasta inicios de 2011 no podemos esperar que el LHC empiece a funcionar a toda potencia, si todo va bien durante el año 2010. Crucemos los dedos.

PS (13 agosto 2009): En Science nos cuenta esta noticia Adrian Cho, “News of the Week. Particle Physics: Running at Half-Energy Keeps LHC in Race for Discoveries,” Science 325: 799, 14 August 2009, que enfatiza que si el LHC funciona durante un año a 7 TeV habrá que trabajar y recalcular qué se puede observar en dicho caso (¿para qué sirve?) ya que todo el mundo ha hechos los cálculos a 14 TeV ["If the bulk of the data is taken there, the question [of what can be seen at 7 TeV] becomes moot“].

El primer descubrimiento del LHC del CERN podría ser un bosón Z’ de 700 GeV según datos recientes del Tevatrón

Un bosón Z’ con una masa de unos 700 GeV debería ofrecer eventos electrón-positón en el Tevatrón con una probabilidad de 0,1 según el Modelo Estándar, sin embargo, combinando datos de CDF y DZERO se han observado 3 eventos de este tipo. Sólo son 3, pero son 30 veces más de los esperados. Obviamente, no es suficiente para proclamar un nuevo descubrimiento, pero sí para tener cierta esperanza. Si de verdad existe este bosón Z’, lo mejor de todo es que en el LHC, tanto los detectores CMS como ATLAS, lo detectarán casi inmediatamente (a los pocas semanas de obtener datos). En dicho caso, como viene siendo habitual, los bosones se seguirán descubriendo en Europa. Por supuesto, esto es pura especulación y los resultados del Tevatrón podrían ser solo una fluctuación aleatoria del background (fondo de partículas). Nos lo cuenta magistralmente, como no, el maestro Tommaso Dorigo, “A New Z’ Boson at 240 GeV ? No, Wait, at 720!?,” A quantum diaries survivor, August 3rd 2009. Tommaso, siempre con los pies en la tierra, quizás porque es físico de partículas experimental que trabaja a ambos lados del Atlántico, en el CDF del Fermilab y en el CMS del CERN, considera esta posibilidad como remota, pero en su interior se alegraría muchísimo de que acabara siendo verdad.

La evidencia encontrada es solo de 3 desviaciones típicas, cuando se requieren al menos 5 para poder proclamar un descubrimiento. Ya se han dado múltiples casos en los que una evidencia de este tipo ha acabado en el cubo de la basura y ha acabado resultando una mala pasada, una fluctuación aleatoria, de los datos.

La evidencia encontrada de una partícula que se desintegra en un par electrón-positón (que los físicos de partículas llaman un dielectrón) lleva directamente más allá del Modelo Estándar, ya que el único candidato razonable para tal desintegración es un bosón vectorial similar al bosón Z de la interacción electrodébil, pero de mayor masa. Hay varias teorías que nos indican que tal bosón vectorial debe existir.

Sin entrar en más detalles técnicos, los interesados pueden recurrir a la publicación original del CDF del año pasado The CDF Collaboration, “High-Mass Dielectron Resonance Search in p¯p Collisions at ps =1.96 TeV,” CDF, Fermilab, March 6, 2008, y al nuevo artículo con los resultados de DZERO “Search for high-mass narrow resonances in the di-electron channel at D0. Luminosity: 3600 pb-1,” Conference Note 5923-CONF, 06/04/09. El artículo de Tommaso en su blog combina ambos resultados de su propia mano, obteniendo una figura “no oficial” de la que extrae sus conclusiones, como explica claramente en “A New Z’ Boson at 240 GeV ? No, Wait, at 720!?,” A quantum diaries survivor, August 3rd 2009.

El bosón de Higgs y el destino final del Modelo Estándar de la física de partículas

Masa del bosón de Higgs en función del ajuste al Modelo Estándar de los parámetros experimentales más precisos del LEP y el Tevatrón, incluyendo (izquierda) y excluyendo (derecha) las búsquedas directas del bosón de Higgs.

Cuenta Caín que mató a Abel por accidente. Cantan que el vídeo mató a la estrella de la radio. Tommaso Dorigo nos cuenta que el Modelo Estándar podría morir en manos de su más amado hijo, el bosón de Higgs, haciéndose eco de un artículo técnico de John Ellis et al. (al que recordaréis en su despacho en el CERN rodeado de papeles junto a Eduard Punset en Redes) que trata de “leer el futuro” del Modelo Estándar en las manos de los posibles modelos teóricos para el bosón de Higgs. El asunto es muy discutible. ¿Mató la teoría de la relatividad a la mecánica de Newton? ¿Mató la mecánica cuántica a la mecánica clásica? Pocos creen que el Modelo Estándar en su versión actual se mantenga válido hasta escalas de energía tan altas como las de Planck. La naturaleza nos ofrece sorpresas, nos ha ofrecido sorpresas en el pasado (como la masa no nula de los neutrinos) y nos seguirá ofreciendo sorpresas en el futuro (¿existirá un bosón de Higgs con una masa alcanzable para los ojos del LHC del CERN?).

Sólo la naturaleza tiene la respuesta. Todos podemos jugar a ser Rappel, nos llamemos John Ellis, Tommaso Dorigo o la Mula Francis, … En cualquier caso os recomiendo encarecidamente la lectura de la entrada de Tommaso “Will the Standard Model Die by The Hands of its Dearest Child?,” A Quantum Diaries Survivor, July 23rd 2009.  Si eres físico, también disfrutarás del artículo de J. Ellis, J.R. Espinosa, G.F. Giudice, A. Hoecker, A. Riotto, “The Probable Fate of the Standard Model,” ArXiv, Last revised 22 Jul 2009. También es interesante leer “Who fears a non-perturbative Higgs field?,” The Gauge Connection, July 28th, 2009, y su secuela “The right mathematical question,” August 1st, 2009, todos sobre el mismo tema.

Ellis et al. han considerado cinco posibles escenarios para el futuro del Modelo Estándar en función del comportamiento del potencial del campo del bosón de Higgs. A baja energía, las partículas que observamos corresponden al resultado de un proceso de ruptura de la simetría, similar a la congelación del agua, que rompe la isotropía (simetría O(3)) alrededor de una molécula de agua generando una simetría tetraédrica en la red cristalina del hielo. Los bosones vectoriales W y Z tienen masa gracias a una ruptura de simetría similar mediada (creemos) por el bosón de Higgs. El resultado es que el vacío a baja energía en el Modelo Estándar no corresponde con el vacío a alta energía (más allá de la escala de energías de la ruptura de la simetría electrodébil, que depende de la masa del bosón de Higgs, en la que los “equivalentes” a los bosones W y Z no tienen masa, como el fotón). La escala de energía para esta ruptura de la simetría podría llegar hasta la escala de energías de Planck (2 x 10¹⁸ GeV). Si el bosón de Higgs existe, esta escala de energía es como una barrera de potencial para el “vacío” del Modelo Estándar (que no está vacío sino que contiene las partículas que observamos a baja energía). Este “vacío” podría ser (absolutamente) estable o metaestable, tener cierto grado de estabilidad (no puede ser inestable porque sabemos que a baja energía es la descripción correcta de la realidad). La metaestabilidad del “vacío” implicaría la existencia de otro “vacío” a mayor energía y que se pueda producir un salto de un vacío a otro por efecto túnel, algo que puede verse como una partícula cuántica encerrada en una barrera de potencial, que puede sobrevivir siempre en ella o tener cierta vida media en su interior, en cuyo caso tras cierto tiempo acabará saltando a través de la barrera por efecto túnel.

Los cinco posibles escenarios estudiados por Ellis et al. dependen de la estabilidad de este “vacío” del Modelo Estándar ante un posible efecto túnel más allá de la escala de la ruptura electrodébil. La figura de abajo resume los resultados obtenidos por estos físicos teóricos. El primer escenario, curva roja y sombreado en rosa, corresponde a que la vida media del “vacío” sea mayor que la edad actual del universo (collapse region). El segundo escenario, curva azul y sombreado a circulitos celestes, corresponde a que la vida media sea razonablemente alta y estable ante perturbaciones (térmicas) de energía arbitraria (Zero-T metastability). El tercer escenario, curva verde oscuro y sombreado a rayas verdes, corresponde a que la vida media sea alta pero estable sólo a perturbaciones térmicas con una energía menor que la escala de Planck (Finite-T metastability). El cuarto escenario, curva verde sombreada del mismo color, corresponde a que el vacío electrodébil del Modelo Estándar sea estable a todas las energías desde el punto de vista de la teoría de perturbaciones (Stability). El quinto escenario, curva negra y sombreado gris, corresponde a un vacío estable desde el punto de vista no perturbativo (Non-perturbativity). Por cierto, este último escenario es el menos entendido del modelo estándar. Finalmente, la curva azul de trazo grueso presenta el valor calculado a partir de los datos experimentales más recientes para la probabilidad de que un bosón de Higgs tenga la masa  indicada.

¿Cómo se interpreta esta compleja figura? Por un lado, la curva azul gruesa indica que hasta 3 desviaciones típicas, el bosón de Higgs tiene una masa en alguno de los intervalos [114,153] GeV o [180,224] GeV. El Modelo Estándar puede seguir siendo válido hasta una energía a la escala de Planck si el bosón de Higgs tiene una masa en el intervalo [114,124] GeV o por encima de 172 GeV (zonas sombreadas con rosa, azul claro y gris). La curva azul gruesa favorece el primer caso, con lo que se puede afirmar con un intervalo de confianza de un 99.1% que el Modelo Estándar pervivirá hasta la escala de Planck. Ellis et al. además afirman que si el bosón de Higgs no es encontrado en el primer año de búsqueda en el LHC (experimento ATLAS y a energía máxima, 14 TeV) automáticamente se puede excluir un bosón de Higgs con una masa inferior a 127 GeV con una confianza del 95%.

¿Qué pasa si se descubre un bosón de Higgs de masa cercana al límite del LEP? Según Ellis et al., si se descubre un bosón de Higgs en el LHC o el Tevatrón con una masa de 120 (115) GeV, el potencial efectivo del Modelo Estándar desarrollará un nuevo “vacío” a una energía menor de 10^10.4 (10^8.0) GeV (muy por debajo de la escala de Planck), con lo que el Modelo Estándar tendrá que ser significativamente alterado a dichas energías.

En resumen, un análisis teórico de los datos experimentales más recientes que no permite afirmar si el Modelo Estándar sobrevivirá hasta la escala de Planck o no, pero, como afirma Tommaso, nos da una bocanada de aire fresco y nos recuerda que quizás el descubrimiento del bosón de Higgs además de ratificar el Modelo Estándar, nos dejará claro que es una teoría aproximada (como todo el mundo cree) que habrá de ser substituida por una teoría más fundamental.

Lo barato acaba saliendo caro y el LHC del CERN

El coste del LHC del CERN ya alcanza la cifra de 3.900 millones de euros (hace un año y medio se hablaba de solo 3.000 millones, ver LHC FAQ). Aún así es mucho más barato que cualquier otra instalación similar gracias a aprovechar el túnel del LEP y parte de su infraestructura. Su entrada en funcionamiento se está retrasando porque se están encontrando problemas inesperados, que indican que su fabricación no ha sido realizada con el cuidado necesario (quizás por las prisas, quizás por el bajo coste). Más aún, entrará en funcionamiento con una energía muy inferior a la inicialmente esperada. Por ejemplo, esta semana se están revisando las soldaduras entre uniones de cobre en la parte no superconductora de los 10.000 imanes superconductores del LHC. Se ha encontrado una soldadura incorrectamente realizada. ¡Una soldadura! Sí, pero suficiente para tener que revisar las demás. Estas soldaduras defectuosas impedirán que el LHC alcance su energía máxima ya que no podrán soportar la corriente máxima que habría que aplicar a los imanes superconductores. Parece increíble, pero así es. No sé, pero a mí me parece que lo barato acaba saliendo caro. Nos lo cuenta, como no, Adrian Cho, “More Bad Connections May Limit LHC Energy or Delay Restart,” News of the Week, Science 325: 522-523, 31 July 2009.

Esta semana los técnicos del CERN están chequeando las 10.000 soldaduras con objeto de evaluar la corriente máxima que podrán soportar de forma fiable, así como determinar la energía máxima de los haces de protones que se podrá alcanzar en el primer año de funcionamiento de la instalación. En el mejor caso, las demás soldaduras estarán perfectas (a mí me parece que algo poco probable) y este chequeo solo supondrá un retraso más para el reinicio del LHC (que se esperaba para noviembre).

Un retraso más. Otro retraso más y otro más aún. Esto parece la historia interminable. Hemos de recordar que en el año 2000 se suponía que el LHC entraría en funcionamiento en el año 2005. Espero equivocarme, pero ahora parece que no lo hará hasta inicios de 2010.

Un recorte en energía más. Y ahora otro más. El LHC del CERN se diseñó para alcanzar 14 TeV de energía máxima (dos haces de protones cada uno con 7 TeV), lo que significa que se observarán colisiones entre 1 y 2 TeV de energía máxima (ya que colisionan entre sí los partones (quarks y gluones) que constituyen los protones). Hace unos meses se decidió reducir esta energía a un máximo de 10 TeV. Los nuevos problemas parecen limitarla a unos 8 TeV o menos. El LHC tiende a convertirse en un Tevatrón “mejorado” (alcanza una energía de 2 TeV).

Quizás convenga reforzar el punto anterior. En el LHC colisionarán haces de protones. Cada protón es un “saco” de partículas, 3 quarks de valencia y millones de gluones y de pares de quarks virtuales. En una colisión protón-protón en realidad se produce una colisión gluón-gluón (las mejores para observar el bosón de Higgs), quark-quark y hasta quark-antiquark (ver figura de arriba). En un protón con una energiá de 7 TeV es muy difícil que alguno de sus millones de constituyentes alcance un 1 TeV, además que lo haga otro de los constituyentes del otro protón que acabe colisionando con éste, y que además ambos constituyentes (partones) colisionen. Recuerda que un protón tiene un “tamaño” de unos 10^-15 m. y un partón sólo alcanza unos 10^-18 m., es decir, ocupa un volumen mil millones de veces inferior. El resultado es que es muy poco probable alcanzar colisiones de más de 2 TeV (prácticamente imposible). Con un LHC a energía reducida que alcance, digamos 7 TeV en el punto de colisión (haces de protones de 4,5 TeV), difícilmente se observarán colisiones partón-partón de más de 1 TeV (similares a las más energéticas que se observan actualmente en el Tevatrón). ¿Tanto para tan poco?

¿Retraso o recorte? Esta es la cuestión. Muchos quieren que el LHC se ponga en funcionamiento cuanto antes. ¿Para qué? Para descubrir nuevos fallos y poder resolverlos cuanto antes, así como calibrar todos los detectores y aprender más sobre el funcionamiento de esta máquina. Al mismo tiempo, nadie quiere un LHC funcionando durante un año a solo 4 TeV, incluso 8 TeV están en el límite de lo no deseable (le daría una oportunidad única al Tevatrón para acumular luminosidad y ganar la partida, por ejemplo, en la búsqueda del Higgs).

No sé que opinarás tú, pero a mí me parece que lo barato acaba saliendo caro.

PS (04 agosto 2009): La noticia en Menéame gracias a “El LHC podría arrancar a media potencia o retrasarse aún más,” Ciencia Explicada, 4 de agosto de 2009.

El Higgs podría descubrirse gracias al roce de dos protones que no lleguen a chocar

Las partículas elementales no están desnudas. Según la mecánica cuántica, están rodeadas de nubes de partículas virtuales. Existir existen pero no pueden ser detectadas individualmente. ¿Qué pasa si dos nubes de partículas virtuales se rozan sin chocar? Se pueden producir otras partículas igual que cuando chocan dos partículas, pero su choque será mucho más limpio. Un bosón de Higgs de poca masa será muy difícil de detectar en el LHC del CERN. Las colisiones entre protones generan tal explosión de partículas que encontrarlo será como encontrar una aguja en un pajar. Sin embargo, si se rozan las dos nubes de partículas virtuales de cada protón, podrían generarse bosones de Higgs muy limpiamente (unos cientos al año en el LHC). Así lo han propuesto físicos del Fermilab que han logrado generar mesones charmonium (formados por pares de quarks encantado y antiencantado) gracias a dichos roces. El artículo técnico es (otro paper más de Aaltonen) T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration), “Observation of Exclusive Charmonium Production and γγ → μ+μ- in pp Collisions at √s = 1.96 TeV,” Phys. Rev. Lett. 102: 242001, 19 June 2009 (ArXiv preprint). Muchos se han hecho eco de este artículo, como “A Higgs Boson without the Mess,” Physical Review Focus, 24 June 2009, traducido al español por César en “Un bosón de Higgs, pero sin el barullo,” Experientia docet, 25 junio de 2009. Os extraigo el primer párrafo [c&p] para que os animéis a leerlo.

“Los físicos de partículas del Large Hadron Collider (LHC) del CERN esperan descubrir el bosón de Higgs entre el barullo de partículas que se generen en las colisiones protón-protón. Los resultados que se publican en el número del 19 de junio de Physical Review Letters muestran que hay una forma de eliminar parte de ese barullo. Un experimento en el colisionador protón-antiprotón Fermilab (Illinois, EE.UU.) ha identificado un proceso poco frecuente que produce materia a partir del intenso campo de la fuerza nuclear fuerte pero que deja intactos al protón y al antiprotón. Existe una posibilidad de que la misma interacción básica les permita a los físicos del LHC tener una visión más clara del Higgs.”

“Ángeles y demonios” en Nature Physics (anti-spoilers abstenerse de leer)

“Angels and Demons” la película de Columbia Pictures tiene que estar por cojones de moda entre los físicos. Todo el mundo habla de la película basada en el libro de Dan Brown y Nature Physics no se podía quedar atrás, nos lo cuenta Alison Wright,”Isn’t it demonic,” Nature Physics 5: 374-375, June 2009. Por cierto, los que no téneis acceso a Nature Physics (en vuestra casa o en vuestra universidad) podéis recurrir a buscarla en Google y pinchar en los enlaces de Rapidshare o similares, donde os la podréis descargar en PDF de forma gratuita. Cosas del pirateo en Internet. Ya no solo se piratean películas y música, también muchas revistas internacionales de interés científico generalista.

Política anti-spoiler. No leas más si no has visto la película, odias ver trailers o que te cuenten algo. Sólo hablaré de algunos detalles de la aparición del CERN en la película, nada más, pero por si acaso, omite esta entrada.

Al grano, yo ya he visto la película.

No me ha desagradado la película de Ron Howard (aunque me dormí las dos primeras veces que la ví sin llegar al final), pero el libro se recrea mucho más en el CERN. Aún así, si no la has visto y te gustan las películas de acción posiblemente no te desagrade.

No os preocupéis La sala de control del CERN que aparece al principio de la película es una recreación (copia de la real) en un escenario en Hollywood. La inyección de sendos haces de protones en el LHC para su lograr su colisión, que en la película dura unos segundos, en la realidad tarde unas horas. Pero se le permite la licencia “poética” a Howard. En la sala de control todos los científicos y técnicos van con bata blanca (¿bata blanca para qué?) y muchos hasta con casco (¿con casco para qué?), pero la repera es que casi todos los hombres llevan corbatas (¿corbatas?). Licencias estilísticas del director.

¿Para qué utilizan el LHC en la película? Para generar antimateria. El LHC nunca fue diseñado para fabricar antimateria. En el CERN se encuentra la mayor fábrica de antimateria del mundo, pero no tiene nada que ver con el LHC. Otra licencia “poética.” Quieren fabricar antimateria como combustible (¿combustible?) para obtener energía limpia y barata. Si es combustible, puede fabricarse una bomba con ella. Bomba que acaba en el Vaticano, claro. Una simple batería mantiene la antimateria en uno cilindros transparentes, se supone que al vacío, separados del resto de la materia. Si la batería se acaba, la antimateria colisionará con la materia y generará una gran explosión (bueno, la cantidad de antimateria que aluden en la película requeriría miles de millones de años para ser fabricada en la Fábrica de Antimateria del CERN, Antimatter Factory). Licencias estilísticas. Muchas. Lo habitual en las películas de ciencia ficción.

Las escenas en el Vaticano están todas simuladas por ordenador (no tuvieron permiso para rodar dentro). En cuanto a los Illuminati, la secta de los malos, existir existió, aunque en el s. XVIII, por lo que ni Galileo Galilei ni el escultor Giovanni Bernini pudieron ser sus miembros, como sugiere la película. Película que reabre el conflicto entre ciencia y religión (por eso la alusión a Galileo). Dios contra el nuevo dios, la Ciencia, ejemplificada con la nueva partícula por descubrir, la partícula de Dios.

Para los aficionados a los fallos en las películas, la película tiene muchísimos, algunos garrafales.

Bueno, ¡es sólo una película! Hay que disfrutar y nada más. ¿O no?

Gran descubrimiento en el Fermilab: Un pequeño paso para el Modelo Estándar, un gran paso hacia el bosón de Higgs

Por primera vez se han observado desintegraciones hadrónicas en pares de bosones vectoriales WW/WZ/ZZ. Unas 1500 desintegraciones en el CDFII. De ellas 5 podrían ser del bosón de Higgs. Cuando se observen 45000 unas 40 podrían ser Higgs. Los americanos se podrían adelantar a los europeos. Esta señal es muy importante como prerrequisito en la búsqueda en el Tevatrón de un bosón de Higgs de baja masa (unas 130 veces la masa del protón), muy difícil de detectar porque casi siempre se desintegra en quarks b sobre un fondo de millones de millones de quarks b. Rara vez se desintegra en un par de bosones vectoriales. Nadie los había observado pero todo el mundo sabía que existían. El nuevo descubrimiento del Tevatrón insufla las posibilidades de que los americanos den la sorpresa y se lleven el Premio Nobel por el descubrimiento del bosón de Higgs. Nos lo cuenta magistralmente, como siempre, Tommaso Dorigo, “Hadronic Dibosons Seen. Next Stop: the Higgs!,” Scientificblogging.com, May 29th 2009 , y Tommaso Dorigo, “Another First Observation for CDF!,” Scientificblogging.com, May 29th 2009 . El artículo técnico es CDF Collaboration: T. Aaltonen, et al. “First Observation of Vector Boson Pairs in a Hadronic Final State at the Tevatron Collider,” ArXiv, Submitted on 28 May 2009 .

Había evidencia sobre las desintegraciones en dibosones, pero esta es la primera observación definitiva del fenómeno. El artículo, enviado para publicación a PRL, presenta la observación de 1516 +/-239(stat) +/-144(syst) dibosones (en un análisis burdo, este resultado difiere de cero por 1516/sqrt(239^2+144^4)= 5.4 desviaciones estándares, un cálculo más exacto nos da 5.3 desviaciones típicas). Lo más importante es que el resultado (para la sección eficaz del proceso) confirma con precisión el Modelo Estándar. El descubrimiento es importante como un primer paso para encontrar el Higgs por este hecho. Entre 1516 desintegraciones sólo unas pocas serían debidas al Higgs, pero cuando se tengan decenas de miles de desintegraciones, el efecto del Higgs será observable como una pequeña “joroba” en los datos observados respecto a los datos teóricos del Modelo Estándar. Dicha “joroba” será claramente detectada (si existe el Higgs y tiene una masa inferior a 135 GeV, claro está) cuando se tengan unas 45000 mil desintegraciones dibosónicas. La “joroba” corresponderá a unas 40 desintegraciones dibosónicas por encima del valor esperado por el Modelo Estándar. Esto será una señal suficiente para proclamar el descubrimiento del bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab. Esto puede ser pronto, dentro de un año o así.

¡Esto se pone caliente! Más aún por el hecho de que el LHC del CERN si no es ciego sí es tuerto en la zona de masas del Higgs inferiores a 135 GeV. En su caso, al LHC le costará muchos años detectar el Higgs, pero el Tevatrón lo está rozando con la punta de los dedos. ¡Emocionante!

PARA SABER MÁS: El Meneo y subsiguiente portada de esta noticia me ha hecho ver que la mayoría de los que han meneado la noticia lo han hecho en honor a mezvan sin entender nada de la entradilla (el primer párrafo de esta entrada). Voy a tratar de aclarar algunas ideas. Por supuesto esto requiere un esfuerzo: cierto interés por la física de partículas elementales.

Los bosones W y Z fueron descubiertos experimentalmente en el CERN en 1983 (Premio Nobel para Carlo Rubbia). Originalmente los bosones W fueron predichos por Enrico Fermi en 1933 para explicar la desintegración (radioactividad tipo) beta. La radioactividad beta es el proceso por el cuál un neutrón aislado (fuera de un núcleo) se desintegra en pocos minutos en un protón, un electrón y un antineutrino. Hoy en día sabemos que uno de los quarks d (down o abajo) del neutrón (3 quarks, udd) se transforma en un quark u (up o arriba) transformando el neutrón en protón, emitiendo en el proceso un bosón W (de carga negativa) que se descompone rápidamente en un electrón y un antineutrino. La siguiente figura muestra el proceso (sacada de La Aventura de las Partículas, que ahora mismo recomiendo al que no se haya enterada de nada de lo que he dicho y quiera enterarse del resto).

Hoy en día contamos con una teoría llamada electrodébil que explica el electromagnetismo (cuyos responsables son los fotones) y la fuerza nuclear débil (cuyos responsables son los bosones W y Z) de una forma unificada. Los bosones W y Z parecen idénticos al fotón salvo por pequeños detalles, tienen una masa en reposo muy grande (unas 160.000 veces la masa de un electrón, pero la masa del fotón parece exactamente nula) y los W tienen carga (el fotón y el Z son neutros). ¿Cómo es posible que haya partículas tan parecidas por un lado y tan diferentes por otro? Hoy en día lo entendemos bastante bien. A muy alta energía, el fotón y los bosones W y Z son partículas idénticas, todas sin masa y sin carga (como el agua de un vaso a temperatura ambiente). Conforme la energía baja se produce una transición de fase (como la congelación del agua en hielo) y una ruptura de la simetría (el agua parece igual por todos lados, sin embargo, el hielo es una cristal con estructura tetraédrica, la isotropía se ha roto) a una energía determinada (igual que el hielo congela a una temperatura determinada, 0º C). La ruptura de la simetría se entiende hoy en día como que 3 de los 4 bosones idénticos a alta energía se tragan 3 bosones escalares de Higgs convirtiéndose en los bosones W+, W- y Z. El cuarto bosón no se traga ningún Higgs y se queda como está. Por eso vemos a baja energía a los fotones y por eso creemos que algún día también se verá en los aceleradores de partículas al bosón de Higgs (los que han quedado sin que nadie se los trague). Entiendan los expertos que trato de hablar en el lenguaje más simple posible.

Los bosones W y Z tienen una masa de 80.4 GeV/c^2 y 91.2 GeV/c^2, respectivamente (unas 86 y 97 veces la masa de un protón o núcleo del átomo de hidrógeno). Por comparación, estos bosones son más masivos que los núcleos de un átomo de hierro. Por más comparación, la partícula más masiva conocida es el quark t (top) que tiene una masa de 172.8 GeV/c^2 y el quark b (bottom) solo tiene unos 4.5 GeV/c^2. En física de partículas elementales la masa en reposo de un partícula no es un valor único y bien definido. La masa en reposo depende de la energía y presenta una curva en forma de pico (llamada técnicamente resonancia) con una pequeña anchura. ¿Qué significa esto? Significa que los valores que he dado para las masas son los valores más probables (donde se encuentra el pico de la resonancia) para la masa que cada partícula presenta cuando la observemos puede tener un valor un poco más pequeño o un poco más grande. Bueno, también puede tener una masa mucho más pequeña o mucho más grande pero es muy poco probable encontrar una partícula con dichas masas. Técnicamente la descripción de la depedencia con la energía de la masa en reposo sigue una función de Breit-Wigner (distribución de probabilidad de Cauchy-Lorentz para los matemáticos).

Imagina que el bosón de Higgs es una partícula inestable (con una corta vida) que se desintegra en otras partículas. Supongamos que tiene una masa menor de 135 GeV/c^2. No puede desintegrarse en una pareja de quarks t pero sí en una pareja de quarks b (la manera más probable en la que puede desintegrarse). Sin embargo, a las energías que se estudian en el Tevatrón, donde colisionan un protón y un antiprotón, o las energías que se estudiarán en el LHC, donde se colisionarán dos protones entre sí, el número de quarks b que se observan en una colisión es enorme (miles de millones). Encontrar la señal de una desintegración de un Higgs en un par de quarks b es muy difícil (como encontrar una aguja en un pajar de miles de millones de pajas).

El bosón de Higgs también se puede desintegrar de otras maneras, por ejemplo, en un par de bosones WW o ZZ. La suma de sus masas es mayor que la del Higgs que estamos considerando (80+80 > 135) por lo que este suceso es muy raro. Extremadamente raro. Pero su probabilidad no es cero y se puede medir. Según el Modelo Estándar, aproximadadamente, una de cada 300 desintegraciones de este tipo debería ser debida a un bosón de Higgs. Para encontrar el Higgs es necesario encontrar muchas desintegraciones de tipo dibosón (WW, WZ o ZZ). Hasta el momento se habían encontrado muy pocas. El nuevo análisis de los resultados del detector CDF ha encontrado un fondo de unas 1500 desintegraciones de este tipo. Es algo raro y en lo raro es más fácil encontrar lo muy raro.

Entendemos tan bien la física del Modelo Estándar que ha resultado que la observación de estas desintegraciones dibosónicas en el CDF se ajusta perfectamente a la teoría (sin tener en cuenta el bosón de Higgs). Esto es muy importante. Porque conociendo bien la teoría podremos estudiar si hay pequeñas desviaciones respecto a la teoría y en dichas pequeñas desviaciones se encontrará trazas de la existencia del bosón de Higgs. En 1516 desintegraciones sólo 4 o 5 podrían ser debidas al Higgs son muy pocas para poder separarlas del resto. Pero con el nuevo tipo de análisis de los datos del CDF-II se podrán estudiar decenas de miles de desintegraciones (se espera tener unas 45000 en un año) y en ellas el número de desintegraciones anómalas (un exceso no esperado según el Modelo Estándar sin bosón de Higgs) constituirían una señal inequívoca de que el bosón de Higgs existe (se observará un pico alrededor de cierta energía que corresponderá a la masa en reposo del Higgs).

En conclusión, el nuevo resultado es importante por dos cosas. La primera porque confirma el Modelo Estándar y la segunda porque abre un nuevo camino para encontrar el bosón de Higgs en el Tevatrón del Fermilab. Un camino que puede requerir un año (poco más). Un camino que observará al bosón de Higgs si existe y tiene una masa inferior a unos 135 veces la masa del protón. Si el bosón de Higgs tiene una masa superior, será muy fácil verlo en el LHC del CERN.

No sé si esto aclara algo… hay muchas entradas sobre el bosón de Higgs en este blog. Te animo a buscarlas.

La verdadera ciencia de la película “Ángeles y Demonios”

A la mayoría de la gente no le interesa la ciencia ni las noticias científicas, salvo cuando se estrena una película que utiliza algo científico como excusa. Entonces, todo el mundo está “mágicamente” interesado en la ciencia de la película y en la posible ciencia “verdadera” detrás de dicha ciencia de película. En “Ángeles y Demonios,” Dan Brown (antes conocido por “El Código Da Vinci”) utiliza la antimateria producida en el LHC del CERN como arma terrorrista contra el Vaticano. Hay muchísimos artículos sobre el tema en la web. Escojamos uno y veamos qué dice.  Paul Preuss, “Angels, demons, and antihydrogen: The real science of anti-atoms,” Berkeley Lab’s News Center, May 5, 2009. ¿Por qué este? Parece que ha gustado a muchos.

Tom Hanks en “Ángeles y Demonios” debe descubrir una bomba hecha de antimateria (según Brown “la última fuente de energía”) antes de que destruya al Vaticano. La antimateria ¡uy, qué miedo! La antimateria se conoce experimentalmente desde 1933. Nos rodea por todas partes y en todo momento (en los rayos cósmicos que inciden sobre la atmósfera, en los escáner tipo PET (tomografía por emisión de positones) de los hospitales, y en trazas de materiales radioactivos en muchos materiales que nos rodean). ¿Por qué no lo notamos? Porque la vida media de las partículas de antimateria es corta. Pronto encuentran una partícula de materia y se aniquilan mutuamente. Estas aniquilaciones raras veces generan energía suficiente para que las notemos. Se requiere para ello instrumental de alta tecnología, como en los escáneres PET.

La antimateria son antielectrones (positones), antiprotones y muchas otras antipartículas (algunas partículas son iguales a su antipartícula), pero también hay antiátomos: la colaboración internacional ALPHA (Antihydrogen Laser Physics Apparatus) del CERN lleva fabricando antihidrógenos, un positón orbitando un antiprotón, desde hace varios años. La antimateria se aniquila con la materia produciendo energía. ¿Cuánta energía? Mucha, un miligramo de antimateria produciría el equivalente a 43 toneladas métricas de TNT. El problema es que para generar dicha cantidad de antimateria es necesaria muchísima más energía, una cantidad demasiado grande para que sea factible fabricar un miligramo. 

¿Para qué fabrican los físicos antihidrógeno? Para estudiar la posible violación de ciertos “sacrosantos” de la física de partículas, como la invarianza CPT (las leyes de la física de partículas compatibles con la relatividad de Einstein exigen que cambiar las cargas de todas las partículas, invertir el sentido del tiempo y mirar el proceso en un espejo no afecte a dicho proceso físico). La invarianza CP es violada por ciertos procesos físicos (interacciones electrodébiles). Hasta el momento, la invarianza CPT parece inviolable. El antihidrógeno también se está utilizado para verificar si la gravedad afecta en igual medida a los átomos y a los antiátomos.

¿Cuántos antihidrógenos se fabrican actualmente en la colaboración ALPHA del CERN? Antes de 2002 sólo se habían fabricado unos cientos de antihidrógenos en todo el mundo (en el CERN y en el Fermilab). Actualmente ALPHA y otro experimento parecido, ATRAP, han fabricado cientos de millones de antihidrógenos. La receta para fabricar, pongamos, mil antihidrógenos (el antiátomo más simple) es sencilla: tómense dos mil antiprotones y enfríense a unos pocos grados Kelvin sobre el cero absoluto; repítase la misma operación con dos mil antipositones; seguidamente mézclense en una trampa (magnética) de átomos, manteniendo la baja temperatura; casi mil antihidrógenos se formarán “espontáneamente.” Parece fácil. Obviamente, no lo es y está al alcance de pocos en el mundo. El experimento ALPHA, en 2008, es capaz de almacenar en una trampa magnética hasta 20 millones de antiátomos (se van añadiendo antiátomos a la trampa en fases sucesivas mediante un procedimiento cíclico).

Cientos de millones de átomos de antihidrógeno parecen muchos pero ¿cuánto pesan en gramos? Recuerda el antihidrógeno pesa lo mismo que el hidrógeno. ¿Cuántos átomos de hidrógeno hay en un miligramo? Omitiré los cálculos, por otro lado triviales si se conoce el valor del número de Avogadro. En cualquier caso, lo repito, hoy por hoy es imposible fabricar un miligramo de antihidrógeno en el CERN.

La física de la película y libro “Ángeles y Demonios”

El estreno mundial de la película de Sony Pictures Entertainment “Ángeles y Demonios” será el próximo 15 de mayo. Algunos aprovechan para entrevistar a Tom Hanks. Otros dan conferencias sobre la física de la película (o de su libro). ¿Física? Sí, ya lo sabrás, en la película los “demonios” pretenden destruir el Vaticano utilizando antimateria producida por el LHC (Large Hadron Collider), robada del CERN (laboratorio europeo de física de partículas). ¡Qué el LHC todavía no está en funcionamiento! ¡Y qué! Físicos de todo el mundo están aprovechando el estreno de la película para impartir conferencias sobre la ciencia de la antimateria y la física del LHC. Cualquier excusa es buena. Nos lo cuentan en “Worldwide lectures reveal the physics of Angels & Demons,” Symmetry Breaking Blog, May 1, 2009 .

Todas las conferencias forman parte de el ciclo “Angels & Demons Lecture Nights: The Science Revealed” una oportunidad única y “curiosamente extraña” a nivel mundial. La página web oficial (uslhc.us/Angels_Demons) sólo lista conferencias en EEUU, Canadá, Francia y Puerto Rico. Alguna conferencia en España? Parece que no, por ahora, ¿alguien se atreve? Hay que enviar un correo para solicitar acceso a los recursos para conferenciantes y para que te pongan en el listado de la web. Lo dicho ¿alguien se atreve? Katie Yurkewicz está esperando que le enviéis vuestro correo… adelante.

Por cierto, hablando del LHC. La reparación está casi concluida, el último imán ”reparado” (el 53) fue instalado el 30 de abril (“Final LHC magnet goes underground,” Symmetry Breaking Blog, April 30, 2009 ). Tras la reinstalación de los 53 imanes dañados en los sectores 3 y 4, ahora queda instalar sistemas de monitoreo que aseguren que incidentes como el del pasado septiembre no vuelvan a ocurrir. Este trabajo requerirá todo el verano. En otoño volverá a ponerse en funcionamiento. Si todo va bien, el LHC no volverá a tener incidentes en sus 3-4 lustros de vida operativa.

Dorigo contra Dittmar, un combate de boxeo dialéctico contra el Tevatrón en el CERN

Los medios (prensa, radio, televisión) ya no relatan las noticias. Son partícipes de la noticia. Crean la noticia. Sin los medios muchas noticias no existirían. Todo es noticiable. Los políticos necesitan a los medios. No eres nadie si los medios no hablan de tí, aunque sea mal. Todas las instituciones científicas necesitan dinero, mucho dinero, más dinero aún. Los políticos sólo quieren conceder fondos a las instituciones científicas que aparecen en los medios. Que generan noticias. El contribuyente necesita saber que su dinero está bien invertido, afirman los políticos. El dinero sólo se debe invertir en las instituciones que produzcan resultados, que produzcan noticias. Sin noticias no hay resultados. La ciencia debería estar al margen, pero no puede estarlo. La ciencia está vendida a los medios.

El año 2008 fue el año del LHC del CERN. Copó todos los medios. No hubo resultados. Todo acabó en nada. En una espera a que haya resultados. ¿Volverá el LHC en 2010 a copar todos los medios? El Tevatrón del Fermilab aprovechó la oportunidad. Recortes financieros requerían generar noticias. Y el Tevatrón ha generado noticias que han copado los medios a finales de 2008 y principios de 2009. ¿Había pocos resultados y ahora hay muchos? ¿Estaban aguantando los resultados en el cajón a la espera del momento oportuno? Los medios afirman que el Tevatrón puede ganarle al LHC la carrera de la búsqueda del bosón de Higgs. ¿Verdad o sólo noticia? Necesitan más fondos, todo el mundo lo sabe (muchos trabajadores se vieron obligados a abandonar el Fermilab). ¿Hemos de creer todo lo que se publica sobre los increíbles resultados obtenidos en el Tevatrón en el último año?

Hay científicos que no se creen los resultados del Tevatrón Run II. La mayoría callan. Michael Dittmar (ETH-Zurich, Suiza) ha querido ser la voz pública de todos los que callan. Dittmar impartió una conferencia en la división teórica del CERN el martes 19 de marzo de 2009 titulada “¿Por qué nunca me creo los resultados del Tevatrón sobre el bosón de Higgs?” (powerpoint de “Why I never believed in the Tevatron Higgs sensitivity claims for Run 2ab”). Entre el público se encontraba Tommaso Dorigo. Responsable del mejor blog sobre física de partículas elementales del mundo “A quantum diaries survivor” (PS: yo no soy el único que lo opina).  Nos relata el combate de boxeo dialéctico Dorigo contra Dittmar en “A seminar against the Tevatron!” Tras 35 años volvemos a revivir el combate de Foreman contra Ali, en el que el segundo arrebató el título al primero. ¿Quién ha ganado en este nuevo combate? Sólo tengo acceso a la versión de Dorigo, que paso a resumiros.

El primer asalto fue por los derroteros esperados. El campeón Foreman acorraló a Ali contra las cuerdas. Dittmar presentó una figura sobre la búsqueda del Higgs en el Tevatrón. Una figura bien conocida por todos entre el público, publicada en el año 2000, resultado del esfuerzo de decenas de investigadores de los detectores CDF y DZERO del Fermilab. La figura lleva como título “Combined CDF/DZERO thresholds.”  Dittmar afirmó que nadie sabía cómo había sido obtenida. ¡Nadie! John Conway, “jefe” del grupo que busca el Higgs en el CDF espetó un ¡¿comorrr?! “Si está puesto en el título de la figura, combinando datos del CDF y del DZERO.” Más aún, Conway confesó que él era el mismísimo autor de la figura. Dundee, entrenador de Ali, le espetó que se tranquilizara. Que no hiciera locuras.

La resistencia de Ali ante los golpes de Foreman era prodigiosa. No así la de Dorrigo, que lleva trabajando en las técnicas que condujeron a la susodicha figura desde 1992. Su propia tesis doctoral en 1998 versó sobre estas técnicas. Dittmar estaba atacando su trabajo durante al menos 4 años. Dorrigo se aguantó como pudo. En sus palabras literales “I kept my cool, because when your opponent offers you on a silver plate the chance to verbally sodomize him, you cannot be too angry with him.” Le comentó a Dittmar que los detalles estaban publicados y le recomendó que se estudiara los artículos más cuidadosamente antes de continuar con su charla. Conway explicó brevemente el quiz de la cuestión por el beneficio del público, que no del conferenciante, que se hizo el sordo.

Foreman atacaba una y otra vez y Ali resistía. Dittmar espetó que los investigadores del Tevatrón estaban perdiendo el tiempo. Que cedieran el testigo al LHC del CERN. No tenían ninguna oportunidad de hacer ciencia de calidad. Literalmente “My personal conclusion is that if the Tevatron people want to waste their time on it, good luck to them.” Para Dittmar los límites sobre la masa del bosón de Higgs obtenidos por el Tevatrón eran incorrectos y científicamente deshonestos. Acabó su charla con una terrible afirmación:

“Optimistic expectations might help to get funding! This is true, but it is also true that this approach eventually destroys some remaining confidence in science of the public.”.

“It is the time to confess and admit that the sensitivity predictions were wrong”.

Ali en el octavo asalto tras una serie de certeros e imparables golpes logró que Foreman besara la lona. El campeón ya era ex-campeón. El ataque final, la “puntilla” de Dorigo a Dittmar nos la ha ofrecido en su blog.  

¿Por qué Dittmar atacó al Tevatrón y defendió al LHC? Tony Smith comenta en el blog de Dorigo que Dittmar es aficionado a atacar grandes proyectos de física (salvo al CERN, claro). En el libro editado “The Final Energy Crisis” (Pluto Press 2008), tiene una artículo “Fusion Ilusions,” en el que ataca acaloradamente el proyecto de fusión del ITER. Quizás esté preparando una nueva contribución a un libro similar en el que atacará al Tevatrón.

Por cierto, Alberto Ruiz, director del Grupo de Física de Altas Energías del Instituto de Física de Cantabria, que también asistió a la conferencia de Michael, confirma en un comentario en el blog de Tommaso que su versión de lo que pasó es correcta y además que coincide con su opinión: “I agree absolutely with your opinions. It is really astonishing to see such a low level talk at CERN, I hope at the end is irrelevant.” Por cierto, Alberto también colabora con el Tevatrón actívamente.

Con las técnicas de análisis del año 2005, la acumulación de datos experimentales en el Tevatrón hubiera resultado en la curva verde. Sin embargo, también han mejorado las técnicas de análisis de datos, y se han acumulado más datos (más luminosidad) por lo que ahora se obtienen resultados mucho mejores.

Uno de los grandes avances en las técnicas de análisis de datos ha sido la incorporación de nuevas herramientas basadas en redes de neuronas artificiales. Gordon Watts nos informa que estas técnicas, cuyo desarrollo en esta aplicación ha requerido más de una década de trabajo, permiten analizar inmensas cantidades de datos, imposibles de atacar con las técnicas anteriores. Dorigo nos aclara que son una técnica, que en este contexto, se entiende muy bien. De hecho, CDF y DZERO utilizan técnicas de redes de neuronas artificiales diferentes que han sido validadas con datos obtenidos con otras técnicas y entre ellas.

En el fondo de todo este debate se encuentra el hecho de que los datos experimentales del Tevatrón utilizados en la búsqueda del bosón de Higgs no son públicos. Se publican los resultados finales tras el análisis de los datos, pero no los datos como tales. ¿Por qué? Política cientifíca. ¿Ciencia no repetible? Sólo un Tevatrón… si hubiera dos. El LHC nos sacará de dudas… pero quien verificará los resultados del LHC… si sólo habrá uno.

Resuelto el misterio de la pequeñez de la violación de la simetría CP

El Premio Nobel de Física de 2008 para Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa por el descubrimiento de la conexión entre violación de la simetría CP y la masa en reposo de los quarks más ligeros nos dejó cierto mal sabor de boca. ¿Por qué la asimetría CP es más pequeña de lo necesario? Aparentemente el Modelo Estándar no nos daba la respuesta, aunque ahora Gary Gibbons y sus colaboradores de la Universidad de Cambridge han logrado obtener la respuesta. Es tan pequeña porque las masas de los quarks son pequeñas. ¿Por qué las masas de los quarks más ligeros son tan pequeñas? Nadie lo sabe. Unos misterios se aclaran, otros siguen esperando respuesta. Nos lo cuenta Philip Ball, “Quark statistics shed light on Universe’s symmetry. CP violation comes into focus,” Nature, 458: 559, 2 April 2009 , haciéndose eco del artículo de Gary W. Gibbons, Steffen Gielen, C. N. Pope, and Neil Turok, “Naturalness of CP Violation in the Standard Model,” Phys. Rev. Lett. 102: 121802, 2009 .

La mayoría de las colisiones entre partículas no se ven alteradas si las miramos en un espejo cuando además sustituimos las partículas por antipartículas. Sin embargo, ciertas colisiones que se rigen por la fuerza electrodébil violan dicha simetría, llamada CP (carga-paridad). Esta violación se observó por primera vez en kaones en 1964 (el kaón en El Tamiz). Cierto parámetro asociado a dicha violación, llamado J por Cecilia Jarlskog, es mucho más pequeño de lo que los modelos teóricos esperaban. ¿Por qué? Era un misterio, el misterio de la pequeñez de la violación CP, cuyo secreto ahora ha sido desvelado. Gibbons y sus colaboradores han estudiado estadísticamente el espacio de todas las matrices Cabibbo-Kobayashi-Maskawa posibles en el Modelo Estándar que son compatibles con la distribución observada experimentalmente de masas de los quarks. Sorprendentemente el parámetro J para dichas matrices tiene como valor de máxima verosimilitud el valor observado experimentalmente .

¿Para qué sirve este trabajo? Resolver un misterio siempre es importante. El nuevo cálculo permite estimar límites inferiores para la masa que podrían tener quarks de una posible cuarta generación que sean compatibles con el valor observado del parámetro J y por tanto “estimar” las posibilidades de que el LHC del CERN encuentre esa posible cuarta generación de la materia.

¿Todo resuelto? Ni mucho menos. La mayoría de los investigadores pensaba que el valor de J tenía un valor ajustado de forma precisa para ser compatible con las masas de los quarks más ligeros. Ahora resulta que son las masas de éstos las que determinan J. En cualquier sigue abierto el problema de la jerarquía de masas: ¿por qué los 6 quarks de las 3 generaciones tienen las masas que tienen?

Posible explicación de los multimuones observados en el Fermilab

El 29 de octubre de 2008 nos despertamos todos los aficionados a ArXiv con la obligación de leer un artículo de 68 páginas, que se dice pronto. Yo fui de los “remolones” (y “antiecologistas”). Lo imprimí en papel esa misma mañana y tardé varios días en sacar tiempo para leerlo. El artículo de la CDF Collaboration del Fermilab se titulaba “Study of multi-muon events produced in p-pbar collisions at sqrt(s)=1.96 TeV .” Quería escribir una entrada sobre el mismo, pero estaba liado (“mi yo teórico”) con Garrett Lisi y acabé borrando el borrador (cuando acumulo más de 20 borradores sin tocar acabo borrándolos todos y empezando desde cero). Muchos otros se me adelantaron (nueva física más allá del Modelo Estándar interesa a todo el mundo, incluso aún sin confirmar). Kanijo nos lo tradujo en “¿Se ha encontrado una nueva física en el viejo Tevatron?,” 4 noviembre 2008, aunque Daniel Marín se le adelantó con “¿Qué demonios ocurre con los muones?,” 3 noviembre de 2008, siendo noticia de portada en Menéame, por cierto, con el “comercial” pero pésimo título “El Tevatrón encuentra una nueva partícula en contra del Modelo Estándar.” Y ya se sabe que si otros alcanzan portada en Menéame con una noticia, a uno se le quitan las ganas de volver a la carga con ella, por mor a no parecer un “loro.” Pero estos temas acaban resurgiendo en la carpeta de borradores, cual “ojos del Guadiana.”

Al grano, mientras los físicos experimentales del detector D0, también en el Fermilab, están tratando de encontrar más pruebas de lo observado en el detector CDF, muchos grupos de teóricos están trabajando duramente tratando de explicar dicha “anomalía.” Entre las explicaciones publicadas, la que más me gusta,  a mí que ni soy experto ni soy la persona más indicada para presumir de “gustos” teóricos, es la de P. Giromini, F. Happacher, M. J. Kim, M. Kruse, K. Pitts, F. Ptohos, S. Torre, “Phenomenological interpretation of the multi-muon events reported by the CDF collaboration,” ArXiv preprint, 31 oct 2008 . Esta explicación de físicos del Fermilab se publicó 2 días tras la publicación del resultado experimental por lo que es obvio que conocían la “anomalía” antes que el resto del mundo, lo que parece que no ha gustado a algunos “envidiosos.” 

La explicación de Giromini et al. parece que funciona mejor que lo inicialmente parecía como nos aclaran Riccardo Barbieria, Lawrence J. Hallb, Vyacheslav S. Rychkova, Alessandro Strumiac, “Multi-muon events at the Tevatron: a hidden sector from hadronic collisions,” ArXiv preprint, 12 feb 2009 .

Una partícula escalar (sería la primera de este tipo observada experimentalmente hasta el momento, mientras no aparezca el bosón (escalar) de Higgs) débilmente acoplada con el Modelo Estándar (con el quark up) con una masa en reposo de unos 15 GeV podría explicar bastante bien los resultados experimentales (curva azul en la figura de arriba). El modelo explica bastante bien la vida media (“duración de la anomalía”) de unos 30 ps (picosegundos) y otros propiedades más técnicas de la “anomalía.” La interacción mostrada en la figura de arriba (como O5) no es renormalizable, luego ha de interpretarse como un modelo “efectivo” (aproximado) a baja energía de una teoría “correcta” a alta energía. Los autores proponen dos posibles modelos renormalizables (a alta energía) compatibles con el modelo O5 a baja energía.

El primer modelo utiliza un acoplamiento especial para un bosón de Higgs con una masa grande, alrededor de un 1 TeV (modelo LH en la figura de la izquierda). El segundo modelo se basa en una interacción entre quarks mediada por fermiones pesados , con masas del orden de 1 TeV (modelo LF en la figura de la izquierda). Estos modelos, en realidad, son modelos “efectivos” renormalizables de una teoría subyacente más allá del Modelo Estándar.

¿Para qué sirven estos modelos? Aparte de para explicar la anomalía del CDF. Su utilidad más obvia es en relación con la materia oscura.

Resumamos. Los autores proponen la existencia de una partícula escalar de masa en reposo  del orden de 15 GeV, débilmente acoplada con el Modelo Estándar, pero fuertemente acoplada con partículas (U o H) con masa del orden de 1 TeV. ¿Qué serán estas posibles partículas de masa en la región de 1 TeV? Candidatos ideales para la materia oscura. Si es así, se explicaría el exceso de positones observado en los rayos cósmicos por los italianos de la misión espacial PAMELA. De hecho, el espectro del exceso de positones observado se ajusta muy bien con los modelos propuestos por Giromini et al. Más aún, los datos de ATIC también se ajustan bastante bien. La figura de más abajo muestra la buena calidad de estos ajustes.

Lo dicho, “dos pájaros muertos por un solo tiro.”

La prueba de fuego para este modelo será el descubrimiento en el LHC de las partículas U o H (imposibles de detectar en el Tevatrón).

Posibilidades de que el bosón de Higgs sea encontrado en el Tevatrón

Ya lo comenté con anterioridad en este blog. El valor que más me “agrada” para la masa del bosón de Higgs es justo por encima del límite superior obtenido por el LEP2 del CERN, 114 GeV, de hecho, unos 120 GeV. Esta posibilidad tiene un gran defecto. Tanto para el LHC del CERN como para el Tevatrón del Fermilab lo peor de lo peor es una masa en reposo del Higgs entre 120 y 130 GeV. Bueno, no tanto. Como muestra la figura (de la colaboración CDF del Fermilab) si la masa se encuentra entre 114 y 182 GeV, es decir, entre 120 y 195 veces la masa del protón, hay unas posibilidades de un 25% de que el Tevatrón descubra el Higgs en el año 2011 (si es que recibe presupuesto para seguir funcionando hasta entonces). ¿Llegará el LHC a tiempo para ganar la carrera hacia el Higgs? ¿Obama y el gobierno de EEUU preferirá cortar el presupuesto del Tevatrón justo antes del descubrimiento? Todo un problema para el “orgullo” americano, como nos cuenta Adrian Cho, “LHC Delays Give Tevatron a Shot at Higgs Boson,” Science 323: 993-995, 20 February 2009 .

Algunos clamaron (en mi opinión, con razón) que el LEP2 del CERN se paró justo antes del descubrimiento del Higgs. La “lucha” entre el LHC y el Tevatrón (muchos científicos colaboran en ambos simultáneamente, luego es una “lucha” en el sentido “sano” del término) se está convirtiendo en una “lucha política.” Obama dió la sorpresa. ¿Volverá a dar la sorpresa permitiendo que el Tevatrón le siga los pasos?

El Tevatrón tiene una oportunidad única. El LHC está teniendo más problemas de los esperados. Se pretende reiniciarlo en octubre de 2009 (con un coste en factura eléctrica adicional de 10 millones de dólares), esperemos que haya suerte, pero los problemas detectados sugieren que (al menos durante el año 2010) no se podrán alcanzar los 7 teraelectrónvoltio (TeV) para los que fue diseñado inicialmente. Sólo se alcanzarán 5 TeV con objeto de prevenir futuros daños. Problemas de diseño ¿menores? en una máquina tan complicada sugieren ir a lo seguro y no arriesgar lo más mínimo. Nos lo recuerda en “Safety precautions delay start-up of hadron collider,” News in Brief, Nature 457: 949 , 18 February 2009 .

Oportunidades como ésta sólo ocurren una vez en la vida, estarán pensando los responsables del Fermilab.

PS: Más información en Graeme Stemp-Morlock, “Is Higgs Competition Healthy?,” Blog in FQxi, Feb. 19, 2009 ; James Morgan, “Race for ‘God particle’ heats up,” Science reporter, BBC News, Chicago, 17 February 2009 ; “La “Máquina de Dios” tiene rival” visto en Menéame; Traducción de Kanijo, “El Fermilab se acerca al bosón de Higgs,” Ciencia Kanija, 18 febrero 2009 .

¿Qué beneficio práctico obtendremos gracias a la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC del CERN?

La “gran ciencia” (big science) genera tecnología, tecnología punta, genera industria, mucha industria, genera riqueza. Los grandes aceleradores de partículas, como el LHC del CERN, son ejemplos perfectos de ello. La tecnología de aceleradores de partículas ha permitido desarrollar dispositivos de implantación iónica que se utilizan para la fabricación de mejores semiconductores, para la fabricación prótesis de rodilla más duraderas, para la fabricación de neumáticos menos contaminantes, para el desarrollo de nuevas terapias contra el cáncer. Esto último gracias a que lo último de lo último en superimanes superconductores está en los grandes aceleradores. Esta tecnología ha permitido desarrollar y permitirá mejorar los potentes imanes necesarios en el diagnóstico clínico (como en resonancia magnética nuclear) y para terapias contra el cáncer basadas en haces de protones. Nos lo cuenta Elizabeth Clements, en “Particle physics benefits: Adding it up,” Symmetry, dec. 2008 .

La “gran ciencia” también genera un enorme potencial humano. Sólo el 10% de los físicos teóricos y experimentales formados en el campo de los aceleradores de partículas acaban siendo profesores de universidad o investigadores en instituciones públicas. El 90% restante se incorpora a la industria privada, como nos cuenta Tona Kunz, en “A fearlessly creative workforce,” Symmetry, dec. 2008 . Un ejemplo, el físico teórico Jorge López, especialista en la “esotérica” teoría de cuerdas, que trabajó en el Fermilab en el experimento DZero que descubrió el quark top en 1995, ahora trabaja en la Shell Oil, en el modelado por ordenador de prospecciones petrolíferas en 3D. Otro ejemplo, Dave Whittum que diseñaba aceleradores lineales de microondas para el Fermilab y el SLAC, ahora trabaja para Varian Medical Systems, en California, desarrollando aceleradores de partículas para el tratamiento del cáncer y aparatos de rayos X para detectar bombas en cargueros. Un último ejemplo, muchas constructoras y promotoras inmobiliarias de los alrededores de Chicago contratan a personas que han trabajado para el Fermilab, incluidos doctores en física teórica, porque les están muy buen “resultado.”

En el LHC del CERN se aceleran haces de protones. La mejor terapia contra el cáncer está basada en aceleradores de protones, como nos cuenta Glennda Chui, “The power of proton therapy,” Symmetry, dec. 2008 . “A la hora de luchar contra el cáncer, el escalpelo más preciso podría ser un haz de protones.” El tratamiento del cáncer basado en radioterapia tiene gran número de efectos secundarios, ya que no sólo mueren las células cancerígenas. El físico teórico Robert Wilson, de la Universidad de Harvard, propuso el uso de haces de protones en lugar de rayos X como técnica de radioterapia en 1946 (“Radiological Use of Fast Protons“). En el Fermilab se construyó un acelerador de protones para el Centro Médico de la Universidad de Loma Linda, en el sur de California, el primer hospital del mundo en ofrecer la terapia basada en protones (el primer paciente fue tratado en octubre de 1980). Actualmente hay 26 distribuidos por todo el mundo. La gran ventaja de los protones es que es posible conseguir que descargen más del 90% de su energía en los últimos 5 mm de su trayectoria reduciendo al mínimo los efectos secundarios. Los avances en los grandes aceleradores de protones, como el LHC del CERN, repercutirán en el desarrollo de equipos más pequeños y baratos para la terapia protónica del cáncer, permitiendo que todas podamos “disfrutar” de dicha técnica.

Las técnicas de imagen en medicina, como la resonancia magnética nuclear (MRI) o la tomografía por emisión de positones (PET), con grandes ventajas respecto a los rayos X, son una de las grandes contribuciones de los aceleradores de partículas en nuestro día a día. Nos lo recuerda Calla Cofield, “deconstruction: MRI,” Symmetry, dec. 2008 . Particle physics’ key role in producing breathtaking images of the human body,” Symmetry, dec. 2008 . Recapitulemos brevemente la historia de la MRI. Isidor Isaac Rabi en 1937 descubrió cómo afectan campos magnéticos fuertes a las propiedades de los átomos y cómo así se pueden observar sus propiedades (por ello recibió el Premio Nobel de Física de 1944). Edward Purcell y Felix Bloch descubrieron en 1946 el fenómeno de resonancia magnética nuclear (NMR), inicialmente para mejorar el estudio de átomos y moléculas, pero que pronto se aplicó al estudio de tejidos vivos (por ello recibieron en Premio Nobel de Física de 1952). En 1973, Paul Christian Lauterbur (fallecido en 2007) descubrió cómo aplicar la NMR para obtener imágenes del cuerpo humano, creando la MRI (por ello recibió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 2003). La técnica reción descubierta se aprovechó de los avances en las técnicas de imanes extremadamente potentes necesarios para la construcción del Tevatrón en el Fermilab (que se inició en 1974). La solución ideal para ambos, MRI y aceleradores, fueron los imanes superconductores que estaban basados en aleaciones metálicas “raras,” que en 1974 se vendían por kilos, pero que el Fermilab empezó a comprar por toneladas. Algo tan simple como el abaratamiento de los precios de estos materiales fue clave para el abaratamiento posterior de los aparatos de MRI (aún hoy en día siguen siendo caros, con precios del orden del millón de euros o superiores).

Hay muchísimas tecnologías que avanzan gracias a las necesidades de los aceleradores de partículas. Todos disfrutamos de Internet y disfrutaremos de la computación en grid. Los detectores de partículas basados en semiconductores permiten desarrollar nuevas tecnologías semiconductoras. En el Fermilab necesitaban detectores semiconductores 3D, chips 3D. El concurso lo ganó la empresa Tezzaron Semiconductor, que desde 2006 está desarrollando este tipo de detectores. Los chips 3D tienen muchas ventajas, básicamente porque reducen la longitud del cableado, con lo que aumentan la velocidad de cómputo y reducen el calentamiento de los micros (se calientan por la fricción de los flujos de electrones en los cables, luego a menos cables, menos calentamiento). En un futuro no muy lejano, los chips 3D se encontraran en las cámaras de fotos, los teléfonos móviles (celulares), y los ordenadores ultraportátiles, como nos cuenta Kathryn Grim, “Labs and industry perfect 3-D chip,” Symmetry, dec. 2008 .

En resumen, los beneficios en nuestra sociedad de la física de partículas elementales son muchos, y serán muchos más, tanto directos como indirectos. El número monográfico de la revista Symmetry dedicado a este tema es sólo un botón de muestra.

Nota: esta entrada, en parte, “recontesta” la pregunta de Milton en el primer comentario de mi entrada “Qué aprenderemos del mundo si se descubre el bosón de Higgs en el LHC del CERN.”