¿Mucho, o poco espacio?

“Tal vez el espacio vacío, no esté completamente vacío después de todo”

El profesor Hartmut Abele nos cuenta que el espacio estaría impregnado de un campo desconocido, similar alcampo de Higgs.

El científico de la Universidad de Tecnología de Viena, director de Atominstitut confirma su teoría que llamaría la “quintaesencia” de Aristóteles, un quinto elemento hipotético agregado a los cuatro elementos clásicos de la filosofía griega antigua, para empezar entremos a lo que es llamado el boson de Higgs.

Qué es el bosón de Higgs?

Es un tipo de partícula elemental que se cree tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa en el Universo. La confirmación o refutación de su existencia es uno de los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo que opera el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra.

¿Por qué es tan importante el bosón de Higgs?

Porque es la única partícula predicha por el Modelo Estándar de Física de Partículas que aún no ha sido descubierta. El modelo estándar describe perfectamente las partículas elementales y sus interacciones, pero queda una parte importante por confirmar, precisamente la que da respuesta al origen de la masa. Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente. Si el electrón no tuviera masa no habría átomos, con lo cual no existiría la materia como la conocemos, por lo que tampoco habría química, ni biología ni existiríamos nosotros mismos.
Para explicar esto, varios físicos, entre ellos el británico Peter Higgs, postularon en los años 60 del siglo XX un mecanismo que se conoce como el campo de Higgs. Al igual que el fotón es el componente fundamental del campo electromagnético y de la luz, el campo de Higgs requiere la existencia de una partícula que lo componga, que los físicos llaman bosón de Higgs.

¿Cómo funciona el mecanismo de Higgs?

El campo de Higgs sería una especie de continuo que se extiende por todo el espacio, formado por un incontable número de bosones de Higgs.
La masa de las partículas estaría causada por una «fricción» con el campo de Higgs, por lo que las partículas que tienen una fricción mayor con este campo tienen una masa mayor.

¿Qué es un bosón?

Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos: fermiones y bosones. Los fermiones son partículas que componen la materia, y los bosones portan las fuerzas o interacciones. Los componentes del átomo (electrones, protones y neutrones) son fermiones, mientras que el fotón, el gluón y los bosones W y Z, responsables respectivamente de la fuerza electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, son bosones.

¿Cómo se puede detectar el bosón de Higgs?

El bosón de Higgs no se puede detectar directamente, ya que una vez que se produce se desintegra casi instantáneamente dando lugar a otras partículas elementales más familiares. Lo que se pueden ver son sus «huellas», esas otras partículas que podrán ser detectadas en el LHC. En el interior del anillo del acelerador colisionan protones entre sí a una velocidad cercana a la de la luz. Cuando se producen las colisiones en puntos estratégicos donde están situados grandes detectores, la energía del movimiento se libera y queda disponible para que se generen otras partículas. Cuanto mayor sea la energía de las partículas que chocan más masa podrán tener las resultantes, según la famosa ecuación de Einstein E2.

Debido a que la teoría no establece su masa sino un amplio rango de valores posibles, se requieren aceleradores muy potentes para explorar este nuevo territorio de la Física. El LHC es la culminación de una «escalada energética» dirigida a descubrir el bosón de Higgs en los aceleradores de partículas. Cuando alcance su máxima potencia en el 2014, el LHC colisionará protones a una energía cercana a 14 teraelectronvoltios (TeV). Actualmente, funciona a algo más de la mitad, 8 TeV. En cualquier caso, si existe, la partícula de Higgs se producirá en el LHC.

¿Cuándo se sabrá si se ha encontrado el bosón de Higgs?

En Física de Partículas el concepto de observación se define estadísticamente en términos de desviaciones estándar o «sigmas», que indican la probabilidad de que un resultado experimental se deba a la casualidad en vez de ser un efecto real. Para conseguir una mayor significación estadística, y por tanto aumentar las probabilidades de observación, los experimentos necesitan analizar muchos datos. El LHC genera unos 300 millones de colisiones por segundo, por lo que la cantidad de datos a analizar es ingente. Se mide en femtobarns inversos, unidad que da idea de la cantidad de colisiones que se produce en un acelerador de partículas por unidad de área y tiempo (luminosidad).

Si una medida tiene cinco sigmas de nivel de certeza se habla de «observacón». Para alcanzar cinco sigmas tendríamos que sacar cara más de 20 veces seguidas, una probabilidad menor de 0,00006 %. Para estar seguros de que una observación corresponde a un bosón de Higgs del Modelo Estándar y no a otra partícula diferente, será necesario estudiar en detalle y con más datos las propiedades de la nueva partícula. En concreto, si la forma en que se produce y se desintegra está de acuerdo con lo predicho por la teoría o no, lo cual sería aún más interesante.

¿Qué sabemos hasta el momento del bosón de Higgs?

Búsquedas directas realizadas en anteriores aceleradores de partículas como el LEP del CERN y Tevatron, del Laboratorio Fermi de los Estados Unidos, establecieron que la masa del bosón de Higgs debe ser superior a los 114 GeV (gigaelectronvoltios; 1 gigaelectronvoltio equivale aproximaamente a la masa de un protón). Otras evidencias indirectas observadas en procesos físicos que involucran al bosón de Higgs descartaron una masa superior a 158 GeV.

Resultados sobre la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC se presentaron en el CERN en diciembre del 2011, obtenidos a partir de cinco femtobarn inversos de datos recopilados desde el 2010. Estos resultados mostraron que el rango de masas más probable está entre los 116 y los 130 GeV (gigaelectronvoltios), según el experimento ATLAS, y entre 115 y 127 GeV, según el experimento CMS. Lo más interesante es que los dos grandes experimentos del LHC vieron indicios de su presencia en la región comprendida entre los 124 y los 126 GeV.

¿Qué pasa si se descubre el bosón de Higgs?

Sería el comienzo de una nueva fase en la Física de Partículas. Marcaría el camino en la investigación de otros muchos fenómenos físicos como la naturaleza de la materia oscura, un tipo de materia que compone el 23% del Universo pero cuyas propiedades son completamente desconocidas. Este es otro reto para la disciplina y experimentos como el LHC.

¿Qué pasa si no se descubre el bosón de Higgs?

No descubrir el bosón de Higgs en los parámetros establecidos en el Modelo Estándar obligará a formular otra teoría para explicar cómo las partículas obtienen su masa, lo que requerirá nuevos experimentos que confirmen o desmientan esta nueva teoría. Así es como funciona la ciencia.

Beneficios para la sociedad de la física de partículas

La tecnología desarrollada en los aceleradores de partículas tiene beneficios indirectos para la Medicina, la Informática, la industria o el medio ambiente. Los imanes superconductores que se usan para acelerar las partículas han sido fundamentales para desarrollar técnicas de diagnóstico por imagen como la resonancia magnética. Los detectores usados para identificar las partículas son la base de los PET, la tomografía por emisión de positrones (antipartícula del electrón). Y cada vez más centros médicos utilizan haces de partículas como terapia contra el cáncer.

La World Wide Web (WWW), el lenguaje en el que se basa Internet, fue creado en el CERN por Tim Berners-Lee para compartir información entre científicos ubicados alrededor del mundo, y las grandes cantidades de datos que producen los aceleradores de partículas motivan el desarrollo de una red de computación global distribuida llamada GRID.

Los haces de partículas producidos en aceleradores tipo sincrotrón o las fuentes de espalación de neutrones, instrumentos creados por los físicos para comprobar la naturaleza de la materia, tienen aplicaciones industriales en la determinación de las propiedades de nuevos materiales, así como para caracterizar estructuras biológicas o nuevos fármacos. Otras aplicaciones de la Física de Partículas son la fabricación de paneles solares, esterilización de recipientes para alimentos o reutilización de residuos nucleares, entre otros muchos campos.

¿Cuál es la participación española en el LHC?

España es miembro del CERN desde 1983. La aportación española es proporcional a su PIB, y se sitúa detrás de Alemania, Reino Unido, Francia e Italia. Además de esta contribución fija, se aportan otros fondos para financiar la actividad de los grupos de investigación españoles que participan en los cuatro experimentos principales del LHC: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE.

En la plantilla del CERN hay un centenar de españoles, a los que se suma otra serie de personal en las categorías de investigadores (fellows y asociados), estudiantes técnicos y de doctorado, investigadores colaboradores en experimentos del LHC y otros del CERN. En total, 900 científicos e ingenieros españoles participan activamente en el CERN.

La participación de los grupos de investigación españoles en el LHC cuenta con el apoyo del Ministerio de Economía y Competitividad a través del Programa Nacional de Física de Partículas y del Centro Nacional de Física de Partículas, Astro partículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolide-Ingenio 2010. Además de haber diseñado y construido varios subdetectores que son clave en la búsqueda de nuevas partículas en el LHC, los grupos españoles participan de forma destacada en su operación y mantenimiento, así como en la recogida, procesado y análisis de las colisiones producidas por los experimentos, incluyendo aquellas que pueden conducir a la observación del bosón de Higgs.

Todas las partículas de las cuales conocemos su existencia hasta el momento representan tan solo alrededor del cinco por ciento de la masa y la energía del universo. El resto —lo que llamamos “materia oscura” y “energía oscura“— sigue siendo un misterio. Una colaboración europea encabezada por investigadores de la Universidad de Tecnología de Viena ha llevado a cabo mediciones extremadamente sensibles de los efectos gravitatorios a distancias muy pequeñas en el Instituto Laue-Langevin (ILL) de Grenoble. Estos experimentos proporcionan límites para posibles nuevas partículas o fuerzas fundamentales, que son cien mil veces más restrictiva que las estimaciones anteriores.

La materia oscura es invisible, pero actúa sobre la materia por su atracción gravitatoria, que influye en la rotación de las galaxias. La energía oscura, por su parte, se considera responsable de la expansión acelerada del universo. Esto puede ser descrito mediante la introducción de una nueva magnitud física: la constante cosmológica de Albert Einstein .

Si existen nuevos tipos de partículas o nuevas fuerzas adicionales en la naturaleza, debería ser posible observarlas aquí en la Tierra. TobiasJenke y Abele, de la Universidad de Tecnología de Viena, desarrollaron un instrumento muy sensible que utilizaron en conjunto con sus colegas para estudiar las fuerzas gravitacionales.

Los neutrones son perfectamente adecuados para este tipo de investigación. No llevan carga eléctrica y son difícilmente polarizables. Sólo resultan influidos por la gravedad y, posiblemente, por las fuerzas adicionales, todavía desconocidas. Los cálculos teóricos que analizan el comportamiento de los neutrones fueron hechos por Larisa Chizhova, el profesor Stefan Rotter y el Profesor JoachimBurgdorfer (TU Viena). U. Schmidt, de la Universidad de Heidelberg y T. Lauer de la TU de Múnich contribuyeron con una herramienta analítica.

La técnica que desarrollaron toma neutrones muy lentos desde la más potente fuente continua de neutrones ultrafríos en el mundo, ubicada en el ILL en Grenoble, y los guiaron entre dos placas paralelas. Según la teoría cuántica, los neutrones sólo pueden ocupar estados cuánticos discretos con energías que dependen de la fuerza que ejerce la gravedad sobre la partícula. Haciendo oscilar mecánicamente las dos placas, se puede cambiar el estado cuántico del neutrón. De esta manera, se puede medir la diferencia entre los niveles de energía.

“Este trabajo es un paso importante para el modelado de las interacciones gravitacionales a distancias muy cortas. Los neutrones ultrafríos producidos en el ILL, junto con los dispositivos de medición de Viena, son las mejores herramientas en el mundo para el estudio de las pequeñas desviaciones pronosticadas respecto de la gravedad newtoniana pura”, dice Peter Geltenbort (ILL Grenoble).

Diferentes parámetros determinan el nivel de precisión que se requiere para encontrar estas pequeñas desviaciones; por ejemplo, la fuerza de acoplamiento entre los hipotéticos nuevos campos y la materia que conocemos. Ya se han excluido ciertos rangos de parámetros para la fuerza de acoplamiento de las partículas o fuerzas quintaesencia, tras realizar otras mediciones de alta precisión. Pero todos los experimentos anteriores aún dejan un gran espacio de parámetros en el que podrían estar ocultos nuevos fenómenos físicos no-newtonianos.

El nuevo método con neutrones puede comprobar las teorías en este rango de parámetros: “Todavía no hemos detectado ninguna desviación de la bien establecida ley de Newton de la gravedad“, dice HartmutAbele, el líder del grupo de la investigación. “Por lo tanto, podemos excluir un amplio rango de parámetros.” Las mediciones determinan un nuevo límite para la fuerza de acoplamiento, que es inferior a los límites establecidos por otros métodos en un factor de cien mil.
Aunque la existencia de ciertas partículas de quintaesencia hipotéticas resulta desmentida por estas mediciones, la búsqueda continuará, ya que aún es posible que la nueva física se pueda encontrar por debajo de este mejor nivel de precisión. La espectroscopía de resonancia gravitatoria tendrá que ser mejorada aún más; y aumentar la precisión en unos pocos órdenes de magnitud les parece factible al equipo de Abele.

Sin embargo, si aun así esto no diese ninguna evidencia de desviaciones con respecto a las fuerzas conocidas, Albert Einstein ganaría otra victoria: su constante cosmológica aparecería entonces más y más plausible.