El descubrimiento del bosón de Higgs III

Hasta qué punto podemos asegurar que la partícula descubierta se corresponde con el bosón de Higgs del modelo estándar? Esta cuestión ya no se deja responder con tanta claridad. En primer lugar, habría que demostrar que la partícula posee espín cero, lo cual constituye una predicción inequívoca de la teoría. Por el momento solo sabemos que tiene espín entero, ya que se desintegra en dos fotones, pero no podemos asegurar que su espín sea nulo.

Por otro lado, aún debemos comprobar que sus interacciones con el resto de las partículas coinciden con las predichas por el modelo estándar. Para ello hay que estudiar la frecuencia con la que se producen los presuntos bosones de Higgs, así como la probabilidad de desintegración de cada canal. Dichas probabilidades están directamente relacionadas con las interacciones entre el nuevo bosón y las diferentes partículas, y han sido calculadas con gran detalle para el Higgs del modelo estándar. Por tanto, comparar los valores teóricos con los experimentales supone un test clave para determinar la identidad de la partícula. Por ahora, sin embargo, la estadística no basta para clarificar este punto.

A juzgar por los datos, parece que en el canal con dos fotones hay más sucesos de los que debería, mientras que en otros canales se han observado menos de los esperados. Con todo, el promedio de esas desviaciones con respecto a las predicciones teóricas no resulta muy elevado ni, de momento, significativo desde un punto de vista estadístico. Cabe señalar que esto no tendría por qué haber sido así: podríamos haber visto diez o cien veces más sucesos con dos fotones de lo previsto, o que la nueva partícula se desintegrara mediante canales prohibidos para el bosón de Higgs. Sin embargo, algo así no ha sucedido. Numerosos expertos sospechan que a medida que dispongamos de más datos estos irán convergiendo hacia las predicciones del modelo estándar.

En todo caso, aunque todavía no pueda confirmarse su identidad con una certeza absoluta, parece evidente que la nueva partícula guarda alguna relación con el mecanismo de generación de masa. Se trata por tanto de un descubrimiento que cierra una etapa histórica en la física de partículas y nos abre las puertas a otra nueva. Aún quedan grandes cuestiones por resolver. Por qué el campo de Higgs interacciona de forma distinta con cada especie de partícula, otorgándole así masas diferentes? Cuál es la naturaleza de la materia oscura, la misteriosa sustancia que compone el 80% de toda la materia presente en el Universo?

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El descubrimiento del bosón de Higgs II

Qué pasos se han seguido para llegar a las conclusiones presentadas el 4 de Julio? De manera esquemática, la manera de razonar ha sido la siguiente: si en algunas de las colisiones entre protones que se llevan a cabo en el LHC se produce una nueva partícula con características semejantes al bosón de Higgs, esta se desintegrará, casi instantáneamente, de formas diversas. Esas diferentes posibilidades se denominan canales de desintegración. Uno de los canales que deja una señal más clara en los detectores (aunque no el caso más frecuente) es la desintegración en dos fotones. Los físicos de CMS y ATLAS han analizaado todos los choques protón-protón en los que se han producido dos fotones energéticos y bien diferenciados.

El siguiente paso consiste en medir la energía y direccionalidad de cada par de fotones. Con esos datos puede obtenerse su “masa invariante”; es decir, la energía de los fotones según la mediría un observador imaginario que viajara montado en el centro de masas del sistema formado por los dos fotones. Si estos provienen de la desintegración de una partícula de masa M, entonces su masa invariante ha de coincidir con M. Sin embargo, hay una gran cantidad de colisiones entre protones en las que, sin necesidad de que se produzca ningún bosón de Higgs ni nada parecido, también se generan dos fotones. Por tanto, existe un ingente ruido de fondo sobre el que deben aislarse los pocos sucesos genuinos debidos a la desintegración de una nueva partícula. A tal fin, se presentan en una gráfica todos los sucesos en los que se han producido dos fotones para cada valor posible de la masa invariante M. Si sólo existiese la señal de fondo, la gráfica mostraría un perfil suave, ya que no habría ningún valor de M privilegiado. Pero, si algunos fotones se han originado en la desintegración de una partícula de masa M, esperamos ver un exceso de sucesos en torno a dicho valor de M. Y eso es exactamente lo que se observa, un pico muy claro cuando la masa invariante del par de fotones ronda los 125GeV.

Por sí solo, el resultado anterior no bastaría para proclamar un descubrimiento. Sin embargo, si la partícula realmente existe, en otras ocasiones se desintegrará mediante otros canales, por lo que en todos ellos deberíamos observar un exceso de sucesos en torno a la misma masa. De todos los canales adicionales, el más interesante corresponde a la desintegración en 4 leptones: por ejemplo, en un par electrón-positrón más un par muón-antimuón. El análisis de este canal vuelve a mostrar un pico para el mismo valor citado anteriormente. Dicho resultado refuerza el anterior hasta el punto de que eleva la confianza estadística hasta el nivel de “descubrimiento”. Ello quiere decir que la probabilidad de que no haya ninguna partícula nueva y que, aun así, se observen tales picos en el lugar en el que aparecen resulta irrisoria: inferior a uno entre un millón. Además, contamos con dos experimentos independientes, ATLAS y CMS, los cuales operan con dos tecnologías distintas. Ambos han detectado excesos similares en torno al mismo valor de la masa invariante, lo cual aumenta aún más la confianza estadística de cada resultado por separado. Parece claro que nos hallamos ante un verdadero descubrimiento.


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El descubrimiento del bosón de Higgs

El pasado 4 de Julio, la comunidad internacional de física de partículas presenció uno de los anuncios científicos más trascendentales  de las últimas décadas. Aunque el adjetivo histórico se emplea a menudo con frivolidad, en este caso su uso se encuentra plenamente justificado. En dos seminarios consecutivos retransmitidos en directo desde el CERN, portavoces de las colaboraciones CMS y ATLAS, los dos experimentos de mayor envergadura del LHC, presentaron los resultados acumulados hasta el momento en favor de la existencia de una nueva partícula: el largamente buscado bosón de Higgs. El grado de certidumbre con el que puede afirmarse  que se ha descubierto una nueva partícula resulta abrumador: en torno al 99,9999%. Otra cuestión es si la partícula hallada se corresponde exactamente o no con el bosón de Higgs predicho por la teoría. Aunque esta pregunta aún tardará un tiempo en ser respondida con rotundidad, el hallazgo hecho público el 4 de Julio marcará un antes y un después para la física de partículas.

El bosón de Higgs desempeña un papel clave en nuestra comprensión de las leyes físicas. Todo nuestro conocimiento sobre las partículas elementales queda englobado en el modelo estándar: un marco teórico que, en cierto modo, describe la naturaleza en su aspecto más básico, puesto que todo se compone de partículas. Un aspecto esencial de dicho modelo es el mecanismo que permite que las partículas elementales posean masa. La masa de los objetos representa un concepto tan ordinario que, a menudo, olvidamos preguntarnos acerca de su origen. Sin embargo, resulta muy complicado diseñar un engranaje matemático que proporcione masa a las partículas y que, a la vez, respete los innumerables éxitos del modelo estándar en la descripción de las interacciones fundamentales.

La solución más ingeniosa propuesta hasta ahora es el mecanismo de Hggs, formulado en 1964 por Robert Brout y FranÇois Englert, y algunos meses después por Peter Higgs. Según esta idea, todo el universo se encuentra lleno de un campo invisible, el campo de Higgs, el cual podemos imaginar como un líquido transparente y ligeramente viscoso. La “fricción” de las partículas con este campo produce una resistencia a su movimiento, lo cual imita exactamente el efecto de una masa. Y los bosones de Higgs se corresponderían con las excitaciones de ese “fluido” que lo llena todo, como las olas en un estanque. Peter Higgs fue el primero en sugerir su existencia.

La idea supone un gran salto intelectual que, en cierto modo, recupera la antigua noción del éter, si bien de una forma del todo novedosa. Sin el mecanismo de Higgs, todo el edificio teórico del modelo estándar se vendría abajo. Curiosamente, algunos físicos hubieran preferido que los experimentos refutasen el mecanismo de Higgs. En tal caso, la naturaleza nos habría puesto ante el reto de descubrir su “truco” para otorgar masa a las partículas. Pero, por otro lado, resulta obligado reconocer el gran triunfo del ingenio humano que supone adivinar los entresijos más profundos de las leyes físicas.

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El motor de combustión interna

Hoy en día casi todos los vehículos están movidos por una u otra versión del motor de combustión interna de cuatro tiempos patentado en 1876 por Nikolaus Otto. Aprovechó este los descubrimientos de Sadi Carnot, quien en 1824 demostró que el rendimiento de un motor depende críticamente de las diferencias de temperatura entre una fuente de energía  o foco caliente, y sun sumidero , o foco frío. El motor de cuatro tiempos comprime una mezcla de aire y combustible y la enciende mediante una chispa, creando así una fugaz pero intensa fuente de calor, cuyo rendimiento aún no ha sido igualado.

Hay quienes creen que este ingenio es un anacronismo, un vestigio peligrosamente anticuado de un mundo que suponía que el petróleo era inagotable  y el clima estable, La mejor esperanza para desplazar el motor de combustión interna es el motor eléctrico alimentado por un acumulador de energía como son las baterías químicas o las células de combustible alimentado por hidrógeno. Lo que muchos olvidan es que los vehículos eléctricos ya tuvieron su ocasión; de hecho, a finales del siglo XIX y comienzos del XX eran mucho más populares que los de gasolina. Eran capaces de funcionar todo el día con una sola carga  y transportar un conductor por toda la ciudad. No necesitaban manivelas de arranque y no tenían cambio de marchas, características estas que hacían que los vehículos de gasolina de la época fueran tan agradables de usar como una retroexcavadora.

Los vehículos eléctricos, empero, eran más adecuados al mundo del siglo XIX que al del siglo XX. Funcionaban todo el día con una carga porque el límite de velocidad estaba fijado entre 12 y 20 kilómetros por hora para adaptarse a los carruajes de tracción animal. Cuando, tras la I Guerra Mundial, aumentaron los límites de velocidad y se hicieron habituales los desplazamientos entre poblaciones, los vehículos de gasolina empezaron a dominar el mercado. Desde entonces, los fabricantes han invertido incontables millardos para aumentar el rendimiento de los motores de 4 tiempos. Hasta que los coches eléctricos sobrepasen en potencia y autonomía a los de gasolina, el motor de combustión interna prolongará su ya largo reinado.

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Lo que la ciencia quiere saber

Casi todos los estudiosos están de acuerdo en que Isaac Newton, cuando formuló los principios de la dinámica y la ley de gravitación, en el último tercio del siglo XVII, estaba al corriente de todo cuanto de ciencia había que conocer. Se estima que en los 350 años posteriores se han publicado unos 50 millones de artículos e incontables libros sobre matemáticas y ciencias de la naturaleza. Es probable que un alumno de secundaria disponga hoy de más conocimientos que Newton. Aún así, son muchos quienes ven en la ciencia una montaña inexpugnable de hechos y datos.

La especialización, cada vez mayor, ha sido una de las vías que han tomado los científicos para habérselas con esa montaña. Día tras día, parece estrecharse el campo de conocimiento del científico. En consecuencia, estos se han visto en la necesidad de adoptar una estrategia ante la montaña de información: prescindir de casi toda ella. Lo cual no debiera sorprender. Es cierto que para dedicarse a la ciencia se requieren amplios conocimientos, pero lo que caracteriza a los científicos no es lo que saben, si no lo que ignoran. Para el científico, los hechos, los datos, no son más que un punto de partida. En ciencia, cada descubrimiento plantea 10 nuevas preguntas. Por ello, la ignorancia aumenta siempre a mayor velocidad que el conocimiento. En palabras de Maxwell: “La ignorancia, hondamente sentida […] es el preludio de todo auténtico progreso en el saber”.

Las preguntas, por otra parte, suelen ser más fáciles de formular que de responder y, a menudo, más interesantes que las respuestas. Hacer incapié en la ignorancia constituye un buen antídoto contra elitismos y nos hace sentir más iguales, lo mismo que la infinitud del espacio nos reduce a nuestras verdaderas dimensiones. Si los científicos nos explicaran las preguntas, en lugar de aburrirnos hasta sacarnos los ojos de sus órbitas con su jerga, si los medios de comunicación no se limitasen a exponer los descubrimientos y dieran cuenta de los problemas que condujeron a ellos, y si los docentes dejasen de traficar con datos ya disponibles en Wikipedia, tal vez encontraríamos a un público dispuesto a implicarse en esa gran aventura que llevamos viviendo en las quince últimas generaciones.

Así pues, si te presentan a un científico, no le preguntes por lo que sabe, sino por lo que él quiere saber. La conversación os resultará mucho más fructífera a ambos.

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No por hablar más rápido comunicamos más

En 1998, Peter Roach (lingüista) escribió: “Los hablantes de algunas lenguas parecen parlotear muy rápido, como metralletas; otros idiomas, en cambio, suenan más lentos y pesados”. Hace unos mesos un grupo de lingüistas intentó cuantificar la observación de Roach. Analizaron el discurso de 59 sujetos, los cuales leyeron en voz alta los mismos 20 textos en 7 idiomas. Hallaron que en japonés y en español, idiomas que suelen describirse como “rápidos”, se pronunciaba el mayor número de sílabas por segundo. El idioma “más lento” fue el chino mandarín, seguido de cerca por el alemán.

Los investigadores de la Universidad de Lyon calcularon además la densidad de información por sílaba en cada uno de los 7 idiomas, para lo cual compararon con un octavo, el vietnamita, que emplearon como referencia. Sus resultados indican que, en promedio, una sílaba en castellano contribuye sólo a una pequeña fracción del significado total de la frase. En cambio, una sílaba en chino mandarín parece codificar una mayor cantidad de información, probablemente debido al carácter tonal de dicha lengua.

Los autores conjeturan que, a pesar de la enorme diversidad de las lenguas habladas en el mundo, puede que todas ellas comuniquen información a velocidades muy similares, un fenómenos que tal vez guarde relación con las capacidades de percepción humanas. En los años 60, Noam Chomsky, postuló la existencia de una gramática universal, una hipótesis según la cual todos los idiomas compartirían una serie de estructuras abstractas comunes.

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