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26/11/2013  
Premio Nobel de Física 2013: 'El bosón de Higgs'

El premio Nobel de Física de 2013 ha correspondido a dos físicos teóricos, François Englert (Bélgica) y Peter Higgs (Reino Unido), "por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a la comprensión del origen de la masa de las partículas subatómicas y que, recientemente, fue confirmado por el descubrimiento de la partícula fundamental predicha (...) en el gran colisionador de hadrones [LHC] del CERN".


Alberto Casas
Profesor de investigación. Instituto de Física Teórica, CSIC



Sin duda la concesión del premio es todo un acierto, ya que distingue un gran logro individual y colectivo en la búsqueda de las leyes fundamentales de la naturaleza, que culminó el pasado Julio de 2012 con el descubrimiento del famoso bosón de Higgs, o sea, la "partícula fundamental predicha" a la que hace referencia el texto emitido por la Academia Sueca. Pero esta historia comenzó mucho antes, allá por el lejano 1964...

En aquella época, cuando el presidente Kennedy acababa de ser asesinado, los Beatles empezaban a ser famosos y se realizaban los primeros vuelos espaciales, la física de partículas tenía planteado un problema aparentemente irresoluble. Antes de seguir, conviene aclarar que en la naturaleza todo está hecho de partículas elementales, desde la luz (hecha de fotones) a la materia ordinaria (hecha de átomos, a su vez compuestos de otras partículas). Por tanto, entender cómo funcionan las partículas es entender cómo funciona la naturaleza, ya que todas las propiedades de la materia que vemos (cualidades de las sustancias, reacciones químicas o incluso el comportamiento de los seres vivos) son en realidad consecuencia de las propiedades de las partículas elementales que la componen. Pues bien, lo que no se entendía era por qué las partículas elementales, por ejemplo los electrones, tienen masa; un hecho absolutamente fundamental.

Sin duda la concesión del premio es todo un acierto, ya que distingue un gran logro individual y colectivo en la búsqueda de las leyes fundamentales de la naturaleza

La masa es un concepto tan ordinario que a veces no nos preguntamos cuál es su origen, simplemente "sucede que los objetos tienen una propiedad llamada masa". Pero la realidad es que es muy difícil concebir un mecanismo que proporcione masa a las partículas elementales y sea consistente con la estructura matemática de las interacciones electromagnéticas y débiles. En Agosto de 1964 los físicos belgas Robert Brout y François Englert publicaron un artículo de apenas tres páginas, pero que iba a resultar revolucionario, en el que describían un posible mecanismo para conseguirlo: el mal llamado "mecanismo de Higgs". Ciertamente el británico Peter Higgs propuso independientemente la misma idea, pero algunas semanas después. Hablando en forma pictórica, la hipótesis es que todo el universo está lleno de un campo invisible (campo de Higgs). Podemos imaginarlo como un líquido transparente y ligeramente viscoso. La "fricción" de las partículas con este campo produce una resistencia a ser puestas en movimiento, imitando exactamente el efecto de una masa. Los bosones de Higgs recién descubiertos en el CERN son las excitaciones de ese campo que lo llena todo, como las ondas producidas en un estanque. Peter Higgs (aquí sí) fue el primero en proponer la existencia de estos bosones. Por tanto, este mecanismo supone un gran salto intelectual en nuestro conocimiento sobre el funcionamiento íntimo de la naturaleza. Nos da una perspectiva revolucionaria sobre el origen de la masa, y además modifica nuestro concepto del "vacío": realmente el vacío no está vacío, sino lleno de un campo con propiedades concretas.

Intuitivamente, el vacío es lo que queda, por ejemplo en el interior de una botella, cuando hemos extraído absolutamente todo lo que había dentro de ella: agua, objetos, aire..., Se podría pensar que al estar todavía la botella llena de ese campo de Higgs misterioso (y así creemos que sucede), esto significa que aún no hemos hecho el vacío perfecto. Sin embargo, es más correcto definir el vacío como el estado de mínima energía. Extraer todo lo que hay dentro de la botella significa por tanto extraer toda la energía posible de ella (recordemos que los objetos y sustancias también son energía, como nos recuerda la famosa ecuación de Einstein E=mc2). Y lo que sostiene el mecanismo de Higgs, en una formulación matemática precisa, es que el estado de mínima energía se corresponde con un valor del campo de Higgs distinto de cero.

A todo esto hay que añadir que, al adquirir un valor en el vacío, el campo de Higgs modifica la estructura de las interacciones electromagnéticas y débiles. Así pues, la forma de las interacciones eléctricas y magnéticas (nuevamente, algo tan familiar que no solemos preguntarnos por su origen), está en gran parte determinada por el mecanismo de Higgs.

Por todo lo anterior, es evidente que la teoría que subyace a la existencia del bosón de Higgs tiene una importancia capital para nuestra comprensión de aspectos fundamentales de la naturaleza. El descubrimiento del bosón de Higgs ha supuesto una verificación experimental impresionante de la teoría (si bien no hay que olvidar que en ciencia las teorías no son sagradas y que deben ser revisarse si futuros experimentos así lo exigieran). En consecuencia, el premio es totalmente merecido, y además los méritos teóricos están bien repartidos entre Englert y Brout por un lado y Higgs por el otro. Desgraciadamente, Robert Brout falleció en 2011, solo unos meses antes de ver confirmada su teoría y lógicamente sin poder recibir el Premio Nobel, que sin duda le habrían concedido. También hay que mencionar que, como sucede a menudo en ciencia, estas ideas no surgieron de la nada. Existían artículos previos de Nambu y Anderson (ambos premios Nobel) en los que ya aparecían elementos del mecanismo de Higgs.

Sin embargo, estas ideas revolucionarias pasaron casi inadvertidas durante varios años. Las cosas empezaron a cambiar cuando otros grandes físicos las aplicaron para la comprensión de las interacciones electromagnéticas y débiles, y demostraran que eran consistentes matemáticamente. La comunidad científica se tomó muy en serio el mecanismo de Higgs y comenzaron las búsquedas del famoso y escurridizo bosón, que se resistía a aparecer y confirmar la teoría. Finalmente, esto ha sido conseguido en el acelerador de partículas LHC, instalado en el CERN.

El LHC es un gigantesco anillo de 27 Km de longitud instalado a unos 100 m de profundidad. Por el interior del anillo circulan, en las dos direcciones, billones de protones (núcleos de hidrógeno) a velocidades gigantescas, prácticamente la velocidad de la luz. Los protones son forzados a colisionar en ciertos puntos del anillo, produciendo en cada choque muchas partículas, que son registradas en enormes detectores instalados alrededor del punto de colisión. En algunas de estas colisiones (unas pocas entre miles de millones) se producen los deseados bosones de Higgs, es decir el choque de protones es capaz de excitar el vacío. Para conseguir esto ha habido que superar retos tecnológicos extraordinarios. El LHC es un proyecto que se ha tardado más de 20 años en realizar, y hubiera sido impensable sin una eficaz colaboración internacional (prácticamente mundial). Por ello, el CERN como institución hubiera sido también un justo merecedor del premio (como así se ha reconocido en los recientemente entregados Premios Príncipe de Asturias); pero lamentablemente los estatutos de la Fundación Nobel no permiten premiar a instituciones. Hubiera servido para recordar que en ciencia sólo se puede avanzar gracias a la combinación de teoría y experimento, en este caso ambos a un nivel excepcional.



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