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.

Amazings Bilbao «La búsqueda del bosón de Higgs» (primera versión)

Para Amazings Bilbao varios de los ponentes propusieron no utilizar transparencias de PowerPoint (¡a ver quién se atreve!). Yo tenía transparencias medio preparadas, pero quería poder prescindir de ellas, con lo que al final preparé varias charlas (cuatro charlas), todas con la posibilidad mixta de usar o no transparencias. La charla final la elegí la noche del viernes 23 durante la cena. Quizás no fue la mejor elección. Una elección retardada nunca es una buena elección… Hoy os presento el texto de la primera de mis charlas. Quería ilustrarla con solo cuatro transparencias: imágenes del LHC, Tevatrón, producción de un Higgs por fusión de gluones y la mula Francis con un globo diciendo «os lo dije, en julio o agosto de 2012.» Estas imágenes aportan poco aquí, así que las omitiré. Espero que os guste.

Tiempo estimado: entre 9 y 10 minutos.

El bosón de Higgs es una partícula que ha sido divinizada por algunos, pero que en realidad no tiene nada de especial. Se trata de una partícula predicha por las leyes que rigen la física de todas las partículas que conocemos en la actualidad; a estas leyes los físicos las llamamos modelo estándar. La física de partículas es la física de las energías muy grandes. Explorar energías tan grandes significa explorar distancias muy pequeñas e intervalos de tiempo muy cortos. Gracias a esta física podremos entender cómo era el universo en los primeros instantes tras la gran explosión (el famoso big bang), podremos aproximarnos, poco a poco, al origen de todo.

El bosón de Higgs es una partícula predicha por el modelo estándar. El modelo estándar en ocasiones anteriores ha predicho otras partículas que han sido encontradas en los experimentos (predijo la existencia del bosón Z, del quark top y del neutrino tau, entre otras). Nada indica que el Higgs no exista y nada indica que no vaya a ser descubierto. Sin embargo, no esperéis que su descubrimiento vaya a ser algo revolucionario. El Higgs es una pieza que nos falta en el modelo estándar y tenemos que encontrarla. Una vez encontrada habremos logrado dar el primer paso. Pero el camino a recorrer será largo. Habrá que determinar con precisión sus propiedades y estudiar si se comporta como afirma el modelo estándar que debe hacerlo o si presenta pequeñas desviaciones; estas desviaciones nos darán muchísima información sobre lo que nos depara el futuro del propio modelo estándar. Así ha pasado con todas las partículas predichas hasta ahora que han acabado siendo descubiertas y así seguirá pasando en el futuro. Determinar con precisión las propiedades del Higgs será un proceso largo y costoso que requerirá varias décadas.

Ahora mismo, todo indica que la partícula de Higgs será descubierta en el LHC (el gran colisionador de hadrones) del CERN (el centro europeo para la física nuclear y de partículas), situado cerca de Ginebra, en la frontera entre Francia y Suiza. Tras el grave accidente sufrido por el LHC en septiembre de 2008, se reanudaron las colisiones en noviembre de 2009 con una máxima, la seguridad de la máquina. Había que evitar a toda costa que el accidente se volviera a repetir. Durante el año 2010 el LHC trabajó a medio gas, con colisiones a la mitad de la energía para las que estaba diseñado. Paso a paso, con pasos lentos pero seguros, se obró el milagro. Parecía imposible que el LHC funcionara tan bien como ha estado funcionado durante el año 2010. Nadie esperaba que el LHC fuera una máquina perfectamente «engrasada» para descubrir el bosón de Higgs.

En febrero de este año, 2011, se decidió que la parada técnica prevista para 2012, con objeto de reparar la máquina y prepararla para trabajar a máxima energía, se retrasaría hasta 2013 y que se acumularían suficientes colisiones para que el LHC fuera capaz de descubrir el bosón de Higgs antes de 2013. Los modelos teóricos habían mejorado e indicaban que era posible lograrlo.

Ahora mismo, en cuatro horas se acumulan tantas colisiones como durante todo el año 2010 completo. Solo en cuatro horas. Ahora mismo ya se han acumulado el triple de colisiones de las esperadas en febrero para todo 2011. El LHC está funcionando a las mil maravillas. A este ritmo, el LHC explorará todos los lugares donde se puede esconder el bosón de Higgs y lo encontrará como muy tarde en julio o agosto de 2012.

El año que viene la gran noticia de la física de partículas será el descubrimiento del bosón de Higgs. Recordadlo, la gran noticia habrá sido anunciada en Amazings Bilbao.

El próximo viernes 30 de septiembre, finalizarán las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón, el gran colisionador del Fermilab, los laboratorios Fermi de física de partículas situados cerca de Chicago. Una máquina que ha estado a punto de encontrar el Higgs antes que el LHC, un David que estuvo a punto de vencer a Goliat. El Tevatrón ha realizado importantísimas contribuciones a la física de partículas, destacando el descubrimiento del quark top en 1995 y el estudio de sus propiedades.

Para la mayoría de los físicos es una gran pena, ya que el LHC podrá encontrar el bosón de Higgs, pero no podrá estudiar en detalle sus propiedades hasta dentro de muchos años, cuando acumule un número enorme de colisiones y se pueda realizar física de precisión con él. En el Tevatrón, un colisionador de menor energía, sería más fácil hacer física de precisión. Si se hubiera aprobado la ampliación de su financiación hasta 2014, seguramente en dicha fecha ya se sabría si el bosón de Higgs que se descubra en el LHC es el bosón predicho por el modelo estándar o si por el contrario apunta a nueva física más allá del modelo estándar.

¿Por qué es muy difícil descubrir el bosón de Higgs en el Tevatrón o en el LHC? El 90% de los bosones de Higgs que se producen en estos aceleradores lo hacen gracias a un proceso llamado fusión de gluones. Para producir el Higgs tenemos que aprovechar su acoplamiento con el resto de las partículas y este acomplamiento depende de la masa. El bosón de Higgs se acopla mucho a las partículas conocidas con mayor masa, el quark top, descubierto en el Tevatrón en 1995, y los bosones W y Z, descubiertos en el CERN en 1983.

Para producir un Higgs tenemos que colisionar dos quarks top (un top y un antitop), pero cuando en una colisión en el Tevatrón o en el LHC se produce una pareja de quarks tops, ambos salen disparados en direcciones opuestas. Es imposible que vuelvan a colisionar. Lograrlo requiere producir cuatro quark tops (dos parejas) para que dos de ellos colisionen entre sí, un proceso muy raro. Mucho más probables es la producción de un Higgs gracias a la producción de tres quarks top en una carambola digna de los mejores jugadores de billar.

Un gluón de un protón produce dos quarks top y uno de ellos  colisiona con un gluón del otro protón, emitiendo un nuevo quark top que, por increíble que parezca, alcanza al primero. El resultado es una colisión en forma de triángulo con tres quarks. Como podéis imaginar esta carambola se da raras veces pero es el mecanismo responsable del 90% de los bosones de Higgs producidos en el LHC y en el Tevatrón. Por eso es tan difícil producir el Higgs y por eso se requiere acumular un número enorme de colisiones.

En la actualidad se producen en el LHC del orden de un Higgs por hora. Pero el Higgs se desintegra muy rápido, en una billonésima de billonésima de segundo. Observarlo directamente es imposible. Observamos sus productos de desintegración. Como el Higgs se acopla a todas las partículas conocidas con masa, y como es neutro y se puede desintegrar en pares de fotones o de gluones, los productos de desintegración son muy parecidos a los observados en colisiones en las que no hay un bosón de Higgs. Buscar un bosón de Higgs es como buscar una aguja en un pajar. Pero gracias a que conocemos muy bien el modelo estándar y podemos predecir los productos de las desintegraciones en el Tevatrón y en el LHC, tanto las que incluyen un Higgs como las que no lo incluyen, el bosón de Higgs acabará siendo encontrado. Y si la estadística no engaña, el Higgs será descubierto en 2012.

Gracias.