El CERN y el Bosón de Higgs

La Organización Europea para la Investigación Nuclear fue fundada en 1954. Las siglas provienen de su nombre en francés. Se creó con la finalidad de la investigación científica conjunta entre miles de científicos de todo el mundo. Primeramente tenía el objetivo de unir a la Comunidad Científica Europea después de la II Guerra Mundial, pero tuvo un mayor alcance, y hoy en día es el centro de investigación más importante del mundo.

Allí se inventó el Internet, y han sido muchos los que han conseguido un Nobel de física trabajando allí. Los últimos fueron Petter Higgs y François Englert, galardonados por la teorización del Campo de Higgs, descubierto en el propio CERN hace menos de un año. En este vídeo podemos ver el momento en el que el Director del CERN anuncia el descubrimiento de la partícula: Descubrimiento del Bosón de Higgs.

Han pasado 50 años desde que Higgs y Englert la teorizaran, hasta que esta partícula fue descubierta. Por ello, a los padres del Bosón de Higgs les fue otorgado el Premio Nobel de Física el pasado 8 de octubre de 2013. 

En los años sesenta se produjo la unificación de la fuerza electromagnética con la nuclear débil, a lo que se llamó Fuerza Electrodébil. Para que la teoría tuviese sentido matemático, era necesaria la existencia de un campo que dotara de masa al resto de las partículas: el Campo de Higgs. 

Gracias a él, explicamos por qué algunas partículas tienen masa y otras no. En el siguiente vídeo proporcionado por el CPAN (Centro Nacional de Partículas, Astropartículas y Nuclear), podemos ver y entender en poco más de 5 minutos todo esto: Hágase la Masa

Ahora bien, ¿qué hacen exactamente en el CERN?

Allí tienen, entre otras cosas, el acelerador de partículas más grande del planeta, varios tubos de 27 kilómetros de longitud enterrados bajo tierra. Además, es el lugar más frío y vacío de todo el Sistema Solar. Su acelerador más importante, el LHC (Large Hadrons Collider o Gran Colisionador de Hadrones), se encarga de acelerar protones a velocidades cercanas a la luz, para hacerlos chocar y obtener multitud de partículas útiles para conocer los inicios de nuestro Universo. En este último vídeo que os dejo, podéis ver el funcionamiento simplificado del LHC: Recorrido de Partículas

El LHC comenzó a funcionar sin pausa en 2009, con un incremento de la intensidad de las colisiones que llegó a finales de 2012 a su máxima potencia, a 7 TeV (1 eV es la energía adquirida, en este caso de un protón, al aplicarle una diferencia de potencial de 1 voltio. 7 TeV equivalen a 7 millones de eV). Con esa energía y a esas velocidades, la masa del protón se multiplica 7 millones de veces. después de unas reformas, en 2015 el LHC podrá funcionar al doble de su capacidad. 1 eV = 6,24 x 10E18

Muchos pensaban que al activar esta enorme máquina podría acabarse el mundo al formarse agujeros negros en miniatura. Stephen Hawking demostró que un agujero negro emitía una radiación inversamente proporcional a su superficie. Por este motivo no hay que temer a los agujeros negros que se puedan formar en miniatura, no vivirán el suficiente tiempo ni para poder ser detectados.

Hoy en día podemos decir que el LHC es la máquina más grande y perfecta creada por la civilización Humana, que apuesta por el conocimiento sobre lo que nos rodea.

Y no solo existen aceleradores circulares, sino también aceleradores de partículas lineales.

Un saludo, espero que os haya gustado esta entrada. 

¡Nos vemos la semana que viene!

Física Cuántica y la 'Doble Ranura'

¡Buenas amigos!

Como prometí la semana pasada, hoy os traigo una extensión de mi entrada anterior, la cual os recomiendo leer antes para entender con claridad la de hoy: La Ciencia como nunca: 'La doble ranura'

Una vez entendido todo lo anterior, vamos a ver qué pasa cuando en vez de lanzar canicas o bolitas por las ranuras, lanzamos electrones. Al ser partículas, cabe esperar que se formen dos franjas, ¿no? Pero como ya intuiréis, no va a ser así. Al bombardear con electrones, ¡se forma un patrón de interferencia como en las ondas!

Esto ocurre básicamente porque la materia también puede tener función de onda, inversamente proporcional a su masa. Cuanto más masa posea una partícula, menos se comportará como una onda. Los electrones tienen una masa insignificante, por eso tienen función de onda, aunque pequeña. Nosotros mismos funcionamos también como onda, pero al tener una masa 'infinitamente' mayor, ese comportamiento ondulatorio es insignificante, por no decir 0.

Esta es la pantalla donde se registraron esos electrones cuando pasaban por la doble ranura:

Pantalla donde podemos ver el patrón de interferencia formado por los electrones

El experimento ha sido realizado varias veces a lo largo de la historia. Primero creyeron que se trataba de un error: pensaban que los electrones rebotaban entre ellos y por eso parecía que quedaban en forma de interferencia. Repitieron el experimento lanzando electrón a electrón y vieron que seguía ocurriendo lo mismo.

Intentando demostrar esto mediante las matemáticas, llegaron a la conclusión de que el electrón debía pasar por las dos rendijas a la vez, pero ¿cómo es esto posible?

Entonces decidieron poner detectores en las rendijas para comprobar si era verdad esto. Misteriosamente, ahora ¡cada electrón iba por una rendija y no por las dos!, y en la pantalla se formaban dos franjas...increíble, ¿no?

Cuando no miramos a los electrones por donde van, se comportan como ondas. Cuando queremos observarlos para conocer su trayectoria, ocurre algo y dejan de funcionar ondulatoriamente y se comportan como partículas.

La razón cuántica de este fenómeno lo explica el Principio de Superposición. Básicamente nos dice que una partícula, en este caso el electrón, puede poseer para una determinada magnitud (en este caso posición) todas sus posibilidades. Al ser medidos u observados, se dice que la superposición se colapsa, y solo observamos una de todas las posibilidades. Un ejemplo podría ser el siguiente: Al cojer una carta de una baraja y ponerla boca abajo sin mirarla, según el sentido común es una sola carta, ¿no? Pero según este principio, cuando no la miramos se están dando todas las posibilidades: ¡SON LAS 40 CARTAS A LA VEZ! Una vez que miramos la carta, se colapsa la superposición y se eliminan 39 posibilidades. Solo queda la carta que vemos. Erwin Schrödinger propuso una paradoja para entender esta teoría, la cual puedes leer en el siguiente enlace: El Gato de Schrödinger. Una curiosa frase pronunciada por el físico británico S. Hawking fue "Cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola".

Básicamente eso es lo que ocurre en el experimento con los electrones. El electrón pasa por las dos ranuras al mismo tiempo, como ocurría con las ondas. De este modo, se formaría el patrón de interferencia. Para acabar, os recomiendo ver este vídeo que explica muy bien y resume el contenido de esta entrada:

Puede parecer que todo esto es mentira porque no encaja dentro de nuestro sentido común, pero hay muchos experimentos reales que se basan en este principio, y que son muy curiosos porque la materia se comporta de modo muy extraño. Es más, absolutamente TODOS los experimentos para poner a prueba la Teoría Cuántica han funcionado.

Este Principio de Superposición tiene mucho que ver con el Efecto Zenón Cuántico, el cual puedes leer en el siguiente enlace: Zenón Cuántico. Básicamente explica que podemos modificar un experimento cuántico con el simple hecho de observarlo. Uno muy curioso fue realizado en 1990 en el Instituto tecnológico de Colorado. Consistía en observar el nivel de energía de los electrones en unos miles de iones de berilio. Desde que los electrones se encontraban en su estado fundamental (mínima energía), hasta su máxima energía, pasaban 256 milisegundos. Mediante microondas excitaban esos electrones, y al cabo de esos 256 milisegundos, el 100% de los iones se encontraban en el nivel superior de energía. Al realizar la medición en la mitad del proceso, y después al final, resultó que solo el 50% de los iones se encontraron excitados. Esto se debe a que el electrón no se puede encontrar entre medias: solo existen dos posibilidades, o arriba o abajo (modelo atómico de orbitales). Si no medimos entre medias, siempre los encontraremos arriba; pero si medimos a medias del experimento, dado que no los podemos ver a mitad de camino, unos irán hacia arriba y otros hacia abajo. Esa es la razón por la cual solo el 50% de los iones se encontraban en ese estado. Este experimento fue otro argumento a favor de la Mecánica Cuántica.

Os recomiendo los libros 'La Puerta de los Tres Cerrojos' y 'Desayuno con Partículas', ambos de Sonia Fernández Vidal, una importante divulgadora científica especializada en Mecánica Cuántica. En sucesivas entradas hablaré del Efecto Fotoeléctrico, la otra cara de la moneda, la parte corpuscular de las radiaciones electromagnéticas.

Gracias por echar un vistazo a esta entrada,
Un Saludo para todos!
Hasta la Próxima!