Vídeo de “Los números que no se pueden calcular (Homenaje a Turing)” en Naukas Bilbao 2012

“Los números que no se pueden calcular (Homenaje a Turing)”
Francis Villatoro (Emulenews). Click en la imagen para ir a EITB.

Alan (Mathison) Turing nació el 23 de junio de 1912 en Londres (hace 100 años) y murió el 7 de junio de 1954, como Blancanieves, tras comer una manzana envenenada. No se suicidó, le asesinó la madrastra, la sociedad puritana británica que le persiguió por ser homosexual, un delito penal en 1954. El 10 de septiembre de 2009 el primer ministro del Reino Unido, Gordon Brown, emitió un comunicado declarando sus disculpas en nombre del gobierno por el trato que recibió Alan Turing durante sus últimos años de vida.

Celebramos este año el centenario del nacimiento de Alan Turing y en esta charla hablaré de su trabajo matemático más famoso, el que le convirtió en uno de los padres de la informática. La demostración de que hay números que no se pueden calcular. Trabajo en el que introdujo las famosas máquinas de Turing como modelo matemático del concepto de algoritmo.

Turing estudió en el King’s College, Cambridge, 1931-1934, y obtuvo una beca de investigación en 1935. Asistió a un curso de doctorado impartido por el Prof. Max Newman, sobre los teoremas de Gödel y el Entscheidungsproblem de Hilbert-Ackermann (1928), el problema de la decisión. En el verano de 1934, Turing tuvo una idea en los prados de Grantchester, Cambridge, utilizar una máquina para modelar el trabajo de un matemático demostrando teoremas o calculando números. Nació la máquina de Turing. Le llevó dos años escribir el programa de la máquina universal de Turing, necesaria para resolver el problema de la decisión.

En 1936, cuatro matemáticos, trabajando de forma independiente, resolvieron el problema de la decisión. El primero, Alonzo Church, que utilizó el cálculo lambda, el segundo, Alan Turing, que usó las máquinas de Turing, el tercero, Stephen Kleene, gracias a las funciones mu-recursivas, y el cuarto, Emil Post, que usó la máquina de Post. Hoy en día se suele hablar de la solución de Church-Turing. El trabajo de Turing introdujo un algoritmo para calcular números y estudió los números reales que se pueden calcular.

La máquina de Turing que calcula un número es un algoritmo que se puede escribir mediante símbolos. Todas las máquinas de Turing posibles corresponden a todas las secuencias finitas de símbolos y por tanto son enumerables. Su cardinal es el mismo que el de los números naturales, el mismo que el de los enteros, el mismo que el de los racionales (cocientes de enteros), el mismo que el de los números algebraicos reales (soluciones de polinomios con coeficientes enteros). Los números reales computables, entre ellos muchos números transcendentes, como pi o e, tienen como cardinal el mismo que el de los números naturales. Por tanto, hay números reales que no son calculables. Más aún, con probabilidad uno, todo número real es no calculable. Sin embargo, todo lo que sabemos sobre la realidad se basa en operar con los números reales que son calculables.

La demostración más elemental de que hay más números reales que enteros se basa en el argumento de diagonalización de Cantor (1891).

Si no has visto aún mi charla, te animo a disfrutarla en la web de EITB a la carta. La noche anterior dormí un par de horas, pero espero que no se me note mucho.

 

Francis en Amazings.es: E-CAT, el secreto está en la (toma de) masa

“Por un módico precio, solo 100.000 euros, podrás disponer en tu propia casa de un reactor de fusión nuclear fría E-CAT (Energy Catalyser). No debes tener miedo a la radiación, pues ni emite neutrones, ni rayos gamma, ni siquiera rayos X. Tras enchufarlo en tu casa a una toma de red y añadir un poco de agua (el combustible del reactor), podrás obtener entre 3 y 10 veces más energía de la que consume. Energía gratis para lo que quieras. […] Ian Bryce, físico australiano e investigador de la revista Australian Skeptics, tras su momento “Eureka!” nos cuenta en su artículo “Going Cold on Cold Fusion,”  The Skeptic, 32: 8-14, March 2012,” que el secreto de E-CAT está en la toma de masa.” Seguir leyendo en Amazing.es.

También recomiendo la lectura de “La física es la causa por la que el e-CAT no funcionará nunca,” La mentira está ahí fuera, 17 dic. 2011 (traducción del artículo de Ethan Siegel, “The Physics of why the e-Cat’s Cold Fusion Claims Collapse,” Starts with a bang, Dec. 5, 2011.), que acaba recordando que “La verificación independiente es la piedra angular de toda investigación científica; la experimentación es la forma en la que se eliminan todo tipo de errores desde la mala calibración hasta la contaminación y es la manera de protegernos de los estafadores sin escrúpulos. Teniendo en cuenta todo lo que sabemos, y en particular los análisis realizados por Steven B. Krivit, es hora de dejar de lado el espejismo de la fusión de  Níquel + Hidrógeno y volver al trabajo para encontrar soluciones reales a nuestros problemas energéticos y medioambientales.”

 

Francis en Amazings.es: ¿Qué haría yo con 100.000 millones de euros?

Supongo que ya conocerás mi última entrada en Amazings.es “Hacia un reactor de fusión comercial en 2030,” pues ha sido portada en Menéame, pero en cualquier caso y por si acaso, te copio los primeros párrafos y te animo a su lectura si aún no lo has hecho ya.

“Javier Peláez (@irreductible) nos ha preguntado a varios colaboradores de Amazings.es ¿en qué proyecto científico gastaríais 100.000 millones de euros?

Siendo la crisis energética el mayor problema del s. XXI, mi respuesta es acelerar el desarrollo del primer reactor de fusión comercial.

Ya está en marcha la llamada “vía rápida” hacia la fusión, que utiliza tokamaks, comprende tres megaproyectos sucesivos, ITER, DEMO y PROTO, y se cree que conducirá al primer reactor comercial alrededor del año 2050.  También se ha propuesto una “vía ultrarrápida” hacia la fusión, que lograría un reactor comercial hacia 2030 gracias a dos megaproyectos simultáneos, ITER y DEMO/PROTO.

Se estima que esta “vía ultrarrápida” podría costar unos 25.000 millones de euros. Con cuatro veces más dinero quién sabe cuándo lo podríamos lograr.”

Seguir leyendo en Amazings.es.

#sinCiencia no hay futuro

“Sin Ciencia no Hay futuro. En los momentos difíciles los ciudadanos esperamos que los políticos tomen decisiones acertadas y no metan la pata. Tras los recortes en ciencia aprobados por nuestro Gobierno, muchas instituciones científicas españolas lo están pasando mal. Por ejemplo, el Consejo Superior de Investigaciones Científicas. Me gustaría recordar que el CSIC fue fundado en 1939, tras la Guerra Civil Española, en un momento terrible para España en el que mucha gente estaba pasando hambre. Nació a partir de la Junta de Ampliación de Estudios, creada en 1907, tras la concesión del Premio Nobel a Don Santiago Ramón y Cajal, quien fue su presidente hasta su muerte en 1934. En 1939, los políticos que decidieron crear el CSIC ya sabían que Sin Ciencia no hay futuro.”

Este vídeo de youtube forma parte de la iniciativa de #SinCiencia. “Os animo a participar grabando vuestros propios vídeos explicando en tan solo un minuto las consecuencias que vamos a sufrir por culpa de estos recortes en ciencia e investigación. Si eres investigador, docente, estudiante o simplemente estás en contra de los recortes en el presupuesto de Ciencia, coge una cámara o un simple teléfono móvil y graba tu vídeo explicando en solo un minuto como te afectan estos recortes. Porque es tan fácil de comprender que con un minuto es suficiente. ¿Cómo te afectan estos recortes? ¿Qué consecuencias tienen? Graba tu vídeo explicándolo y súbelo a youtube.”

#SinCiencia El vídeo de Juan Ignacio Pérez, Amazing.es, 30 abril 2012.

#SinCiencia El vídeo de Javier Armentia, Amazings.es, 1 mayo 2012.

Y habrá muchos más.

Conferencia Amazings en la Universidad de Sevilla: Las Matemáticas de la Vida (gracias a la Química)

Como anuncia este cartel, estaré en Sevilla el próximo viernes 25 de noviembre a las 17:00 horas en el Aula Magna de la Facultad de Química. Invitado por Tito (Eliatron) impartiré una conferencia titulada “Las matemáticas de la vida (gracias a la química).” La conferencia será retransmitida en directo vía streaming en Amazings.es y luego estará disponible en diferido. Más información en Eliatron, “Conferencias Amazings-Sevilla 2011/2012,” Amazings, 28/10/2011; ver también los carteles y toda la información acerca del ciclo de conferencias en la web Amatiqui.

“Esta charla se enmarca dentro del proyecto de innovación docente La divulgación como herramienta de aprendizaje, que los profesores de la asignatura Matemáticas del Grado en Química de la Universidad de Sevilla (Tito entre ellos) están llevando a cabo. Este proyecto está financiado gracias al I Plan Propio de Docencia (en su edición 2011/2012) de la Universidad de Sevilla. Y se trata de la segunda conferencia de este ciclo de divulgación, tras la charla “El universo matemático de los cuasicristales” que el pasado 11 de noviembre dio César Tomé, autor del blog Experientia Docet y también colaborador de Amazings.

Aunque la charla esté especialmente enfocada a los alumnos de nuestra asignatura, creemos que por su marcado carácter interdisciplinar y divulgativo y dado que en el año 2011 celebramos el Año Internacional de la Química, la asistencia será abierta a todo el mundo. Así, si ese viernes estás en Sevilla y quieres oír hablar de Química, de Matemáticas y de cómo ambas intervienen en los procesos claves para la vida, ya sabes, te esperamos en el Aula Magna de la Facultad de Química.”

En cuanto a la calidad del streaming quiero advertir algunas cosas. Hemos intentado por todos los medios que se encargara la propia universidad, a través del servicio TV US, pero nos pidieron demasiado dinero por la emisión, ante lo cual nos negamos rotundamente. Por ello, el streaming los realizarán @Raven_Neo y @maculamorbida (como venía siendo habitual) y que lo harán de forma desinteresada. Así que tenedlo en cuenta, si la calidad del streaming (en particular del sonido) no es todo lo buena que podría ser, ya que lo hacen con medios propios.”

Francis en Amazings: “ABC, el deuterón y los viajes en el tiempo”

“La “alerta magufo” no es la única alerta entre los colaboradores de Amazings; la “alerta Menéame” aparece cuando llega a portada una noticia incomprensible incluso para los divulgadores científicos más expertos, los colaboradores de Amazings. Una noticia en el periódico ABC sobre “una partícula que puede resolver uno de los grandes misterios de la física” ha llegado a portada y un colaborador ha afirmado con rotundidad “Francis tiene que saber de qué va.” Pero yo no tenía constancia de que el trabajo reciente del físico Bira van Kolck tuviera algún tipo de interés mediático; de hecho, el único medio de prensa en todo el mundo que se ha hecho eco de esta noticia ha sido ABC Ciencia (y los servicios de prensa de la Universidad de Arizona a la que pertenece van Kolck); César (Experientia docet), siempre puntilloso como buen divulgador, apostilla también  este artículo en PhysOrg.com.

(…) El efecto más importante en la física del neutrón debido a la violación de la simetría CP en la interacción fuerte es la aparición de un momento dipolar eléctrico permanente (EDM).  (…) Qué es lo que han logrado Bira van Kolck y sus colegas en su  artículo “Parity- and Time-Reversal-Violating Form Factors of the Deuteron,” cuya publicación en Physical Review Letters ha sido la mecha que ha encendido la noticia. Estos físicos se han dado cuenta de una cosa curiosa, todos los experimentos que han tratado de medir la EDM del neutrón han supuesto que la QCD viola la simetría CP (y la simetría T), pero ninguno ha tenido en cuenta la posibilidad de que se viole la simetría PT (y la simetría C, pero no la CP). Su artículo considera cuáles serían los términos que habría que añadir a una teoría efectiva quiral con solo dos quarks que viole la simetría PT y cuales serían las consecuencias de su inclusión en los experimentos que buscan detectar la EDM del neutrón utilizando el deuterón. (…)”

Seguir leyendo “ABC, el deuterón y los viajes en el tiempo,” Amazings.es, 14 oct. 2011.

Francis en Amazings: “Un curioso fenómeno luminoso alrededor del transbordador espacial Endeavour”

“El vídeo de la NASA del lanzamiento de la última misión del transbordador espacial Endeavour muestra en el minuto 6:30 un sorprendente efecto visual que se ha visto en el vídeo de la NASA del lanzamiento que aparece en youtube; la figura que abre esta entrada se ha obtenido a partir de dicho vídeo. Aparecen “microauroras” o “fogonazos” en la parte trasera del transbordador que forman anillos  con puntos luminosos, como ilustra la figura. ¿Qué es lo que produce estas “auroras” alrededor del Endeavour? Trataré de ofrecer una posible respuesta y aprovecharé para hablar un poco de los motores que utilizan los transbordadores espaciales y de sus gases de escape.”

Seguir leyendo en “Un curioso fenómeno luminoso alrededor del transbordador espacial Endeavour,” Amazings.es, 03 Octubre 2011. Por cierto, el vídeo de youtube del último lanzamiento del Endeavour es el siguiente (el enlace apunta directamente al fenómeno luminoso objeto de esta entrada).

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Amazings Bilbao “La búsqueda del bosón de Higgs” (cuarta versión, la definitiva)

Mi charla en Amazings Bilbao 11 está disponible en vídeo en la página web de la televisión ETB. Espero que os guste. La verdad es que no memoricé la charla y debería haberlo hecho, pues al final me faltó tiempo, cuando faltaba un minuto inicié lo que tendría que haber sido iniciado cuando faltasen tres minutos. Me faltaron dos minutos y tendría que haber preparado mejor los chistes, me dio la sensación de que a nadie les hizo gracia. Debe ser que tengo poco salero. No transcribiré aquí la charla que tenía preparada, para que no se me vea el plumero (ahora que me veo de nuevo sé que tendría que haberme estudiado la charla de memoria para que hubiera quedado perfecta). Me aplicaré el parche para Amazings Bilbao 12.

La mesa redonda “Ciencia en estado puro” también está disponible en vídeo en la ETB. Mikelnai, el moderador, me dijo que tendría que hablar durante unos 10 minutos sobre los neutrinos del experimento OPERA, pero aunque estaba avisado no preparé bien la charla; cuando me escuchéis hablar de neutrinos tau, aveces tenéis que sustituir la palabra tau por muónicos, lo siento; tampoco describí demasiado bien el experimento. Pero ya se sabe que el directo es así.

Espero que os gusten los vídeos.

 

Amazings Bilbao “La búsqueda del bosón de Higgs” (tercera versión)

Muchos dicen que el siglo XXI será el siglo de la nanotecnología. La nanociencia es la ciencia de las cosas que tienen un tamaño inferior a 100 nanómetros. El tamaño de unos cientos de átomos (el radio de un átomo es del orden de una décima de nanómetro). Los átomos están hechos de electrones y quarks. La ciencia que estudia estas partículas es la zeptociencia, la nano-nanociencia. Hoy sabemos que los electrones y los quarks tienen un tamaño inferior a 100 zeptómetros (10 elevado a menos 19 metros). Para explorar distancias tan pequeñas se requieren los “microscopios” más poderosos del mundo, los grandes aceleradores de partículas. El LHC del CERN (el gran colisionador de hadrones situado cerca de Ginebra) es una máquina diseñada para explorar la zeptociencia. Quizás no lo sepáis, pero el LHC ha logrado este año reducir el tamaño máximo de un quark en un factor de tres.

Las partículas conocidas de mayor masa no pueden ser observadas en los rayos cósmicos porque son inestables y se desintegran tan rápido que es imposible que acaben llegando a la Tierra. Por ejemplo, el quark top, el quark más pesado que fue descubierto en 1995 en el Tevatrón del Fermilab (el acelerador de partículas situado a las afueras de Chicago que finalizará sus días la semana que viene, el próximo viernes 30 de septiembre, tras 25 años siendo el “microscopio” más poderoso del mundo). La vida media de un quark top es de medio yoctosegundo, media billonésima de billonésima de segundo.

Quizás os mareen estos prefijos, pero os recuerdo que después del prefijo nano-, vienen pico-, femto-, atto-, zepto- y yocto- (cada uno es 1000 veces más pequeño que el anterior). La física del quark top es la física de los zeptómetros y de los yoctosegundos.

El bosón de Higgs es una partícula predicha por el modelo estándar, las leyes físicas que describen el comportamiento de todas las partículas. Igual que el quark top, el bosón de Higgs es una partícula con mucha masa y muy inestable. Se estima que su vida media es inferior al yoctosegundo, la billonésima de billonésima de segundo. Este verano pasado (a finales de agosto) se publicaron los últimos resultados sobre la búsqueda del Higgs que indican que su masa es mayor de 114,4 GeV e inferior a 145 GeV (la masa de un protón es un poco inferior a 1 GeV). Por ahora, ni el Tevatrón ni el LHC tienen sensibilidad suficiente para explorar este rango de masas, pero dentro de unos meses la tendrán. Dentro de unos meses, el LHC podra encontrar y encontrará el bosón de Higgs. La gran noticia de la física de partículas durante 2012 será el descubrimiento del Higgs.

Los físicos sabemos lo que es un átomo de hidrógeno, un electrón ligado a un protón por un campo electromagnético, o lo que es un protón, tres quarks ligados entre sí por un campo cromático debido a la interacción fuerte, es decir, gracias a unas partículas llamadas gluones que actúan como un pegamento que aglutina a los quarks en una especie de bolsa de la que no pueden salir, el protón. Sin embargo, ningún físico del mundo sabe lo que es un electrón o un quark. Todo lo que sabemos es que son partículas elementales (no parece que estén compuestas por nada más pequeño) que tienen ciertas propiedades físicas bien conocidas.

El electrón es más ligero que los quarks. Su masa en reposo es 1836 veces más pequeña que la masa de un protón. Sin embargo, no conocemos la masa en reposo de los quarks. Hay muchas cosas que los físicos no sabemos de las partículas y una de ellas es que no sabemos la masa tienen los quarks. Los experimentos en los que un electrón de alta energía colisiona con un protón indican que el quark arriba tiene una masa entre 3 y 8 veces la masa de un electrón, y que el quark abajo tiene una masa entre 8 y 16 veces la masa de un electrón. Pero el valor exacto aún es desconocido. La razón es que no podemos separar un quark de un protón y pesarlo, los quarks están confinados en el interior del protón.

Mucha gente dice que descubrir el bosón de Higgs permitirá explicar el origen de la masa. Lo siento, pero no es verdad. El peso de los átomos de vuestros cuerpos es debido a la masa de los protones y de los neutrones, ya que los electrones son muy ligeros, y resulta que la masa de los quarks solo da cuenta de menos del 2% de la masa de un protón. El resto de la masa del protón es energía, pura energía, la energía del campo de gluones que une los quarks entre sí. El 98% de la masa de las cosas que os rodean es pura energía. El bosón de Higgs solo da cuenta de la masa de las partículas elementales, como los electrones y los quarks.

¿Por qué es muy difícil descubrir el bosón de Higgs? Cuando yo estudiaba física, hace 20 años (acabé la carrera en 1992), la búsqueda del bosón de Higgs era casi una utopía. Aún no se había descubierto el quark top, cuya masa se suponía que estaba entre 90 veces y 200 veces la masa del protón; por lo que el Higgs podía tener una masa entre 50 veces y 1000 veces la masa del protón. Ningún colisionador de partículas tenía sensibilidad suficiente para explorar todo el rango de masas para el bosón de Higgs en 1992.

Cuando el quark top se observó en 1995 en el Tevatrón resultó que su masa era enorme, unas 185 veces la masa del protón. Más aún, su masa era predecible suponiendo que su acomplamiento con el bosón de Higgs era exactamente igual a uno. Toda una sorpresa inesperada. Hoy sabemos que lo es con un error menor del 1%. Podría ser una casualidad, pero el quark top tiene la masa que tiene que tener si es la partícula elemental más pesada que existe que sufre la interacción electrodébil.

El descubrimiento del quark top hizo creer a los físicos que el bosón de Higgs existía y podía ser encontrado en el LEP, el colisionador de electrones y sus antipartículas, los positrones, situado en el anillo que ahora ocupa el LHC, en el CERN. LEP era una fábrica de unas partículas neutras llamadas bosones Z, que se podían desintegrar en un bosón de Higgs (y un Z virtual). LEP buscó al Higgs, pero no lo encontró. En noviembre del año 2000, LEP fue clausurado para dar paso a la construcción del LHC.

En el año 2001 el único colisionador capaz de continuar la búsqueda del bosón de Higgs era el Tevatrón, pero en este colisionador observar el Higgs es muy difícil. El mejor modo es mediante su desintegración en dos bosones W. En el año 2000 el Tevatrón nunca había observado una colisión que produjera dos bosones W. Hubo que esperar al año 2005. Había que estudiar bien estas colisiones antes de buscar el Higgs. La búsqueda se inició en el Tevatrón en el año 2007, pero los primeros resultados interesantes son de marzo del año 2009, el bosón de Higgs no tenía una masa de 170 GeV, el doble de la masa del bosón W. En la era de internet las noticias corren tan rápido que nos parece que el Tevatrón lleva publicando datos sobre el Higgs desde hace una eternidad, pero solo hace dos años y medio que se publicaron los primeros resultados.

La gran revolución en la búsqueda del bosón de Higgs ha sido el inicio de las colisiones del LHC en noviembre de 2009. Tras un año 2010 espectacular, este año, 2011, está siendo casi milagroso. El LHC explorará antes de final de este año todos los lugares donde se puede esconder el bosón de Higgs y los primeros indicios de su existencia aparecerán en diciembre. El descubrimiento definitivo del Higgs será la noticia estrella del próximo verano. En julio o quizás en agosto de 2012 la búsqueda del bosón de Higgs habrá finalizado y la última pieza del puzzle del modelo estándar será colocada en su lugar.

Gracias.

Amazings Bilbao “La búsqueda del bosón de Higgs” (segunda versión)

La segunda charla que preparé para Amazings Bilbao estaba pensada para tener unas 12 transparencias con figuras divertidas extraídas de la web La Aventura de las Partículas. Además, para darle un toque de humor tenía pensado incluir algunas figuras de transición, en plan visto y no visto, como una caricatura de ZP junto a Rajoγ; a alta energía ambos serían delgados y a baja energía ZP sería muy gordo y Rajoγ seguiría siendo delgado (en un globo ZP decía “me he comido el Higgs… digo la crisis”); ahora no me hace tanta gracia, así que la omito. Mi idea era gesticular mucho con las manos conforme hablase, pero omitiré aquí describir los gestos. Bueno, al grano, espero que os guste.

Tiempo de presentación: 10 minutos ajustados.

Todos estamos hechos de átomos, incluso las mulas. En vuestros cuerpos hay unos 59 elementos químicos diferentes. Una persona que pese 70 kg (como yo… bueno, como cuando yo los pesaba) tiene unos 7 mil billones de billones de átomos en su cuerpo. Hidrógeno, oxígeno, carbono, nitrógeno, … pero también oro y uranio. Sí, así es, por cada 70 kg de peso vuestros cuerpos contienen unos 0,2 miligramos de oro y unos 0,1 miligramos de uranio. Ya sabéis que no hay que ir a Fukushima para emitir radioactividad.

Todos los átomos están hechos de electrones y quarks. Los electrones son partículas con carga eléctrica negativa que orbitan un núcleo con carga eléctrica positiva. Los electrones están unidos al núcleo gracias a un campo eléctrico (a la interacción electromagnética mediada por los fotones, partículas de luz).

Los quarks que forman el núcleo atómico están agrupados en tríos, que llamamos protones y neutrones. Hace 40 años se descubrió que los protones y los neutrones estaban compuestos de quarks. Hay dos tipos de quarks en vuestro cuerpo, los quarks tipo arriba con una carga positiva 2/3 de la del electrón y los quarks tipo abajo con una carga negativa 1/3 de la del electrón. Un protón tiene dos quarks arriba y uno abajo, por ello tiene una carga positiva total opuesta a la del electrón. El neutrón está formado por dos quarks abajo y uno arriba y es neutro (para la carga eléctrica). Sabemos que los protones están compuestos de quarks gracias a experimentos en los que se hace colisionar electrones de muy alta energía contra un protón. La mayoría de los electrones pasa a través del protón como si estuviera vacío, pero algunos chocan contra los quarks y rebotan; gracias a estos rebotes podemos conocer sus propiedades físicas.

Los quarks están unidos entre sí dentro del protón gracias a la interacción fuerte o de color. Los quarks tienen carga eléctrica (positiva o negativa) y carga de color (con tres valores llamados rojo, verde y amarillo). En el protón, los tres quarks están rodeados de innumerables gluones, las partículas portadoras de la interacción fuerte y que son capaces de cambiar el color de los quarks. Hay 8 tipos diferentes de gluones. Los hadrones son partículas neutras para la carga de color formadas en su interior por partículas que sí están coloreadas (quarks y gluones). Los protones y los neutrones están unidos entre sí en el núcleo gracias a una interacción efectiva, una fuerza residual de la interacción fuerte. Esta fuerza es mucho más fuerte que la repulsión eléctrica entre los protones que tienen carga positiva.

Un átomo pesado con muchos neutrones y protones en su núcleo puede desintegrarse en átomos menos pesados, es decir, puede ser radioactivo. Un quark abajo puede transformarse en un quark arriba, convirtiendo un neutrón en un protón y desestabilizando el núcleo del átomo, que puede fisionarse en dos. En este proceso la conservación de la carga obliga a que se emita un electrón y además resulta que se emite otra partícula, el neutrino. Todas estas partículas, los dos leptones, el electrón y el neutrino, y los dos quarks, el arriba y el abajo, forman un conjunto de partículas llamado primera generación. Hoy en día se conocen dos generaciones más, formadas por partículas como las anteriores pero de mayor masa. Nadie sabe por qué hay tres generaciones de partículas y no cuatro o dos.

La interacción entre un electrón y un quark puede ser electromagnética, por el intercambio de un fotón (una partícula de luz), o mediante la interacción débil, mediante el intercambio de un bosón Z neutro o de un bosón W cargado. Los bosones Z y W son partículas muy parecidas al fotón, pero con una masa enorme, el Z tiene unas 97 veces la masa de un protón y el W unas 86 veces. Cuando los electrones tienen una energía inferior a la masa de estas partículas, el electromagnetismo y la interacción débil son dos interacciones completamente diferentes. Sin embargo, cuando los electrones tienen una energía superior a unas 230 veces la masa del protón (216 GeV decimos los físicos), el fotón y los bosones Z y W todos se comportan de forma idéntica, como si no tuvieran masa en reposo. Es un hecho experimental que a estas energías es imposible distinguir un fotón de un bosón Z. Electromagnetismo e interacción débil están unificadas en una única interacción, llamada electrodébil.

Una billonésima de segundo después de la gran explosión, el big bang, la interacción electrodébil sufre una transición de fase (a unos 216 GeV) y se separa en dos interacciones muy diferentes en apariencia. En este proceso los bosones Z y W adquieren una masa en reposo enorme y la interacción débil se vuelve una interacción de muy corto alcance y muy débil comparada con el electromagnetismo. Para entender esta transición de fase los físicos han propuesto un mecanismo llamado ruptura espontánea de la simetría electrodébil o mecanismo de Higgs para abreviar.

El mecanismo de Higgs predice que todas las partículas adquieren una masa en reposo a baja energía (por debajo de los 216 GeV), aunque en realidad sean partículas con masa en reposo nula (como el fotón) a alta energía. La masa en reposo es una propiedad que solo permite diferenciar a las partículas a baja energía, siendo irrelevante a muy alta energía.

El mecanismo de Higgs predice la existencia de un partícula residual, llamada bosón de Higgs, asociada al hecho de que el fotón no adquiere masa tras la transición de fase electrodébil. La transición de fase más conocida es la congelación del agua a 0º C. El agua presenta una simetría exacta: desde dentro podemos mirar en todas direcciones y veremos siempre los mismo, agua. Sin embargo, el hielo es un cristal con simetría hexagonal (acordaros de los copos de nieve) y mirar dentro del hielo en ciertas direcciones es diferente a mirar en otras; la simetría exacta del agua se ha rota en una simetría más sencilla.

El vacío en física de partículas no está vacío, contiene campos que presentan ciertas simetrías. Si pego un salto, el campo gravitatorio de la Tierra hace que vuelva a caer, incluso en el vacío. Los físicos creemos que el vacío está relleno de un campo de Higgs y de campos asociados a todas las partículas. Durante la transición de fase electrodébil, el campo de Higgs sufre un cambio (se condensa en un estado de Bose-Einstein) y como resultado todas las partículas para las que se rompe las simetría de la teoría electrodébil adquieren masa en reposo; sin embargo, la simetría asociada al electromagnetismo no se rompe, se mantiene exacta a baja energía y el fotón sigue sin masa.

El mecanismo de Higgs predice que el campo de Higgs interactúa consigo mismo y aparece a baja energía como una partícula con masa, el bosón de Higgs. Esta partícula predicha por los físicos aún no ha sido encontrada en los experimentos. Hablando un poco a la ligera podemos decir que todas las partículas adquieren masa “comiéndose un bosón de Higgs” y que el propio bosón de Higgs es caníbal y puede comerse a sí mismo. La teoría no predice la masa del Higgs, hay que descubrir un Higgs para saber cómo interactúa consigo mismo, por ello, su búsqueda a ciegos ha costado tantos años. Sin embargo, ya ha llegado el momento de la gloria. Los físicos creemos que el año que viene el bosón de Higgs será descubierto en el Gran Colisionador de Hadrones, el LHC, en el CERN.

La gran noticia científica del año próximo será el descubrimiento, por fin, del bosón de Higgs.