Acelerando el ritmo de la ciencia: entrevista con Rolf Heuer, del CERN Understand article

Traducido por Félix Jiménez-Villacorta. El director general del CERN nos cuenta la historia detrás del bosón de Higgs – y describe los próximos pasos.

Rolf Heuer
Imagen cortesía del CERN

El CERN no es sólo el laboratorio de Física de partículas más grande del mundo. Como explica su director general, Rolf Heuer: “El CERN es un modelo a imitar, demostrando que la ciencia puede conectar culturas y naciones. La ciencia es un lenguaje universal y eso es lo que hablamos en el CERN.”

Parte del túnel de 27 km que
aloja al LHC. Para permitir las
medidas necesarias de la
nueva partícula, el LHC
operará hasta febrero de
2013. El profesor Heuer lo
explica: “Imagina que ves a
alguien a una distancia lejana
que se parece a tu mejor
amigo. Para estar seguro de
que no es en realidad su
gemelo o gemela, necesitas
esperar hasta estar
suficientemente cerca. Eso
lleva tiempo.”

Imagen cortesía del CERN

El CERN también une a la gente de otras formas. “Siendo un joven estudiante de verano, puedes encontrarte comiendo al lado de un ganador del Premio Nobel. Y todos, desde los trabajadores de la cantina hasta los altos directivos, nos identificamos con el CERN, compartiendo un deseo de incrementar el conocimiento humano. Todos aportamos nuestro granito de arena hacia ese objetivo, dejando las diferencias políticas, culturales o educacionales fuera del campus.”

Esto indudablemente hace del CERN un lugar especial para trabajar; pero lo que le hace único es su acelerador de partículas, el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC). Utilizado por primera vez en 2008, el LHC es el acelerador de partículas más grande del mundo, con sus 27 km de túnel formando un anillo bajo la frontera franco-suiza. Como explica el Profesor Heuer, “también es uno de los lugares más fríos del Universo, enfriado a 1.9 K con helio superfluido. Incluso el espacio exterior es más cálido, con 2.7 K.

La icónica ecuación de
Einstein nos dice que para
crear las partículas pesadas
que existían una fracción de
segundo antes del Big Bang,
el LHC necesita colisionar
partículas a muy altas
energías
.
Imagen cortesía de Nicola Graf

«Simultáneamente, es uno de los lugares más calientes de nuestra galaxia porque cuando los protones colisionan en el LHC, producimos temperaturas que son mucho, mucho más altas que las del centro del Sol.” El Profesor Heuer describe la colisión de dos protones a velocidades cercanas a la de la luz como dos mosquitos que colisionan en pleno vuelo.

“La diferencia clave es que estos protones son partículas muy, muy pequeñas, así que su densidad de energía – la energía de los protones dividida por su volumen – es enorme, y es esta densidad de energía lo que nos acerca al Big Bang.”

Como se detallaba en dos artículos previos de Science in School (Landua & Rau, 2008; Landua, 2008), estas colisiones enormemente energéticas pueden crear partículas muy pesadas, el tipo de partículas que se formaron en las condiciones extremadamente energéticas una fracción de segundo después del Big Bang. Estas partículas son tan masivas que no habían vuelto a ser creadas desde entonces (recuerda que la ley de Einstein E=mc2 nos dice que para crear una partícula muy pesada, necesitamos una gran cantidad de energía).

Figura 1: El modelo estándar
describe las partículas
fundamentales a partir de las
cuales nosotros, y el resto de
las cosas visibles del
Universo, estamos hechos, y
las fuerzas que actúan entre
ellas. Haga clic sobre la
imagen para ampliarla
.
Imagen cortesía del CERN

Mientras el Profesor Heuer y yo hablamos, dicha parte de la Historia extremadamente lejana acaba de ser recreada: el 4 de julio de 2012, el CERN anunció la detección de una partícula que es ‘consistente con el bosón de Higgs’, creada por última vez alrededor de 10-12 segundos después del Big Bang. Esta noticia es trascendental. “Hemos estado buscando esta partícula durante 40 años. No estoy seguro de si he digerido la noticia aún, pero creo que puede ser uno de los descubrimientos más grandes de las décadas recientes”, me comenta.

Si la partícula detectada recientemente es en realidad el bosón de Higgs, este descubrimiento validaría el modelo estándar de la física de partículas. El modelo estándar (figura 1) describe las partículas fundamentales a partir de las cuales nosotros y cualquier cosa visible en el Universo estamos hechos, y las fuerzas que actúan entre ellas. Y como explica el Profesor Heuer, “El bosón de Higgs era la piedra angular del modelo estándar que faltaba.”

El descubrimiento también podría explicar por qué las partículas – y por consiguiente la materia – tiene masa. La búsqueda del bosón comenzó en los sesenta, cuando un grupo de físicos, incluido Peter Higgs, postuló lo que ahora se conoce como el campo de Higgs. Se pensaba que, inmediatamente después del Big Bang, las partículas no tenían masa, pero que rápidamente la adquirieron interactuando con dicho campo; cuanto más interactuaban las partículas con el campo de Higgs, más masivas se volvían.

“Imagina que el campo de Higgs es una reunión de periodistas, distribuidos por igual a lo largo de la sala”, dice el Profesor Heuer. “Yo puedo atravesar la sala sin masa – a la velocidad de la luz – porque no me conocen. Si alguien muy conocido entra, los periodistas se aglomerarían alrededor de esa persona, la velocidad de la persona queda limitada y él o ella adquieren masa. Cuanto más conocida es la persona, más periodistas se aglomeran a su alrededor, y la persona se volverá más masiva. Así es como una partícula adquiere masa a partir del campo de Higgs.” Ver figura 2.

Figura 2: El mecanismo de Higgs. Haga clic sobre la imagen para ampliarla.
1. Para entender el mecanismo de Higgs, imagina que una sala llena de periodistas conversando tranquilamente es como el espacio lleno sólo con el campo de Higgs.
2. Un científico muy conocido, Albert Einstein, entra, creando una perturbación mientras atraviesa la sala, y atrayendo a un grupo de admiradores a cada paso.
3. Esto aumenta su resistencia al movimiento – en otras palabras, adquiere masa, al igual que una partícula atravesando el campo de Higgs.
4. Si un rumor cruza la sala…
5. … crea el mismo tipo de aglomeración. Pero esta vez entre los propios periodistas. En esta analogía, estas agrupaciones son las partículas de Higgs.

Imagen cortesía del CERN

Pero, ¿dónde encaja el bosón de Higgs? Por definición, los bosones son partículas con un momento angular interno – conocido como spin – correspondiente a un múltiplo entero de la constante de Planck (p. ej. 0, 1 ó 2). Algunos bosones son partículas portadoras de fuerza, a través de las cuales las partículas de materia interactúan entre ellas. Por ejemplo, un fotón es un bosón que porta la fuerza electromagnética, un gravitón es un bosón que porta la fuerza gravitacional. El bosón de Higgs, sin embargo, se cree que es diferente: es el resultado del campo de Higgs interactuando consigo mismo (figure 2). “Supón que abro la puerta de la reunión de periodistas y susurro un rumor en la sala. Los periodistas se preguntarán – ‘¿qué ha dicho?’ Los periodistas interactuando entre ellos – o la auto-interacción del campo de Higgs: eso es un bosón de Higgs.”

Peter Higgs fue descrito por
el Profesor Heuer como “muy
emocionado por el anuncio.
Dijo que si nosotros
hubiéramos excluido la
posibilidad de la existencia
del bosón de Higgs, habría
dejado de entender la física
de partículas.”

Imagen cortesía de Murdo
MacLeod

El único problema con el bosón de Higgs es que nadie sabía si en realidad existía. A lo largo de los años, aceleradores más y más grandes, capaces de colisionar partículas con cada vez mayores energías, fueron construidos para buscarlo. Esto permitió a los físicos crear partículas cada vez más masivas, pero sin señal aún del bosón de Higgs. ¿Es que no existía, o es que requería un acelerador más potente para detectarlo? La nueva partícula bien podría haber contestado esa cuestión.

Entonces, ¿cómo detectaron en realidad los científicos esta nueva partícula?

La señal que andaban buscando era la desintegración de un bosón de Higgs. Sin embargo, los científicos necesitaban ser capaces de distinguir el patrón de desintegración del bosón de Higgs de las señales de desintegración de otras muchas, muchísimas partículas creadas en el LHC. El Profesor Heuer bromea, “Es como buscar un tipo de copo de nieve tomando fotos de él con una tormenta de nieve de fondo. Muy difícil.”

Una imagen generada por
ordenador de los datos
obtenidos de una de las
múltiples colisiones que
fueron utilizadas en la
búsqueda del bosón de
Higgs. “No es como buscar
una aguja en un pajar: es
buscar una aguja en
millones de pajares, con el
pequeño problema de que
además los pajares constan
de agujas y que tenemos que
encontrar una aguja
ligeramente diferente a otras
muchas agujas”, explica el
Profesor Heuer
.
Imagen cortesía del CERN

Una señal prometedora que analizar era la desintegración del bosón de Higgs en dos fotones, específicamente dos fotones de alta energía. Cuando dos fotones detectados proceden del mismo punto, es posible que sean el resultado de la desintegración de un bosón de Higgs. Por otro lado, quizá forme parte del ruido de fondo de otras colisiones entre partículas y desintegraciones que ocurren en el LHC. Entonces, ¿cómo distinguen los científicos entre ambas?

La respuesta es que no se puede, en ningún caso, asegurar si los fotones proceden de un bosón de Higgs o de la desintegración de otra partícula, pero se puede utilizar análisis estadístico para comprobar si el número de desintegraciones detectado es lo que se esperaría. Para ello, se construye una hipótesis nula – en este caso, que la partícula de Higgs no existe – y se predice qué se encontraría si la hipótesis nula fuera cierta. En caso de que se detectaran más desintegraciones de las esperadas, esto indicaría la existencia del bosón de Higgs.

Esto fue precisamente lo que dos de los experimentos del LHC, ATLAS y CMS, encontraron en julio de 2011: sobre la curva suave de los resultados esperados, había una desviación representando más desintegraciones de las esperadas. Y lo que es más importante, ambos experimentos encontraron esta desviación en el mismo punto – representando la desintegración de partículas con una masa de 126 GeV – y la desviación tenía la misma magnitud – representando el mismo número de desintegraciones ‘extra’ en el acelerador. La cuestión era: ¿serían estas desviaciones estadísticamente significativas? Para los nuevos descubrimientos en Física de partículas, la barra de significación estadística se ha colocado muy altaw1: a cinco sigmas, que representa alrededor de una entre 3.5 millones de posibilidades de detectar más desintegraciones de las esperadas por simple casualidad, incluso si la hipótesis nula fuera cierta.

Resultados obtenidos a partir de los experimentos ATLAS (izquierda) y CMS (derecha), mostrando el número (ponderado) de desintegraciones detectadas a cada masa de partícula. El espacio entre las líneas punteada y continua muestra la desviación de los resultados esperados, representando la desintegración de la nueva partícula. Haga clic sobre la imagen para ampliarla.
Imagen cortesía del CERN

Los datos iniciales de julio de 2011 ciertamente parecían prometedores, pero no ofrecían nada próximo a este nivel de certidumbre. Durante el siguiente año, sin embargo, los dos experimentos del LHC acumularon más y más datos, todos apuntando en la misma dirección: había más eventos de dos-fotones con una masa de 126 GeV de lo que se esperaría sin no hubiera bosón de Higgs. Finalmente, el 4 de julio de 2012, el umbral de cinco-sigmas se cruzó y los científicos del CERN se mostraron suficientemente confiados para anunciar al mundo que de hecho habían detectado ‘una partícula consistente con el bosón de Higgs’.

El professor Heuer describe
la colisión de partículas en el
LHC como si fueran dos
mosquitos que colisionan en
pleno vuelo
.
Imagen cortesía de ARTPUPPY
/ iStockphoto

Para la mayoría de nosotros, a pesar de previos avisos por parte del CERN, este anuncio llegó de forma bastante inesperada. Para el Profesor Heuer, por el contrario, la emoción se había ido forjando durante meses, pero la revelación paso-a-paso del descubrimiento no redujo su impacto lo más mínimo. “El descubrimiento es el momento más emocionante de mi carrera, porque estamos escribiendo un pedazo de Historia.”

Entonces, ¿cuánto sabemos en realidad sobre esta nueva partícula?

“Sabemos que es una nueva partícula y sabemos que es un bosón. Es el bosón más pesado jamás encontrado, y se parece al bosón de Higgs. Sin embargo, los científicos pueden ser muy precavidos. Como lego, diría ‘hemos encontrado el bosón de Higgs’. Como científico, tengo que preguntar ‘¿qué hemos encontrado?’”

Imagen cortesía del CERN

El siguiente paso, pues, es medir las propiedades de esta partícula, incluido su spin. Todos los bosones conocidos hasta entonces eran partículas con spin 1, como por ejemplo los fotones. Están asociados a campos vectoriales: el campo electromagnético, por ejemplo, es un campo vectorial que tiene a la vez dirección e intensidad. Como resultado de ello, el fotón se mueve en una determinada dirección: tiene spin. El bosón de Higgs, sin embargo, se cree que es diferente – está asociado a un campo escalar, y eso significa que tiene spin 0.

“Si nadas en un río, la fuerza que ejerce el agua sobre ti dependerá de en qué dirección estás nadando. Eso sería un campo vectorial. Si, por el contrario, estás en una piscina, la fuerza que ejerce el agua sobre ti será la misma sea cual sea la dirección en la que nadas. Eso es un campo escalar.”

La sala de control del CERN
Imagen cortesía del CERN

También es importante medir la masa de la nueva partícula con más precisión. “En vez de ser el bosón de Higgs, podría ser un bosón de Higgs. El modelo estándar predice sólo uno, pero la supersimetría – una extensión del modelo estándar (como se explica en Landua & Rau, 2008) – predice al menos cinco. Y el bosón de Higgs de menor masa predicho por la supersimetría es muy parecido en masa al predicho por el modelo estándar.

“Eso hace muy difícil distinguir entre los dos: necesitamos más medidas.” Con este fin, el LHC recogerá datos de tantas colisiones como sea posible antes de febrero de 2013, fecha en la que se cerrará hasta finales de 2014 para reajustarlo para aún mayores colisiones, permitiendo crear y detectar partículas incluso más pesadas.

Imagen cortesía del CERN

Así que si las medidas en estos meses muestran que la nueva partícula es el (o un) bosón de Higgs, entonces el modelo estándar quedaría validado, probando la existencia del campo de Higgs, y por tanto confirmando el mecanismo por el cual las partículas adquieren masa. Pero, ¿qué pasaría si el bosón descubierto recientemente resulta no ser un bosón de Higgs?” Si es ligeramente distinto de lo que esperábamos, podría llevar a la Física más allá del modelo estándar.”

Este mapa compara la
distribución de materia
‘normal’, trazada a través de
gas caliente, vista por el
telescopio XMM-Newton (en
rojo) y las estrellas y galaxias
observadas por el Telescopio
Espacial Hubble (en gris),
para la distribución de la
materia oscura invisible (en
azul), que ha sido inferida del
efecto de enfoque
gravitacional. El mapa
demuestra cómo la materia
‘normal’ a través del Universo
sigue la estructura de un
‘andamiaje’ subyacente de
materia oscura
.
Imagen cortesía de la NASA
/ ESA / R Massey (California
Institute of Technology)

Cualquiera que sea el resultado de las medidas sobre la nueva partícula, el LHC se focalizará, una vez reabierto, más allá del modelo estándar, el cual describe solamente el Universo visible – se cree que no es más del 4-5% de la energía total del Universo. “El modelo estándar deja muchas cuestiones abiertas. Por ejemplo, no nos dice qué le ocurrió a la antimateria que existía al comienzo del Universo, ni nos dice en cuántas dimensiones del espacio o el tiempo estamos viviendo. Y no arroja la más mínima luz sobre qué es la materia oscura o la energía oscura.”

Del oscuro 95% del Universo que no es tratado por el modelo estándar, se piensa que el 25% es materia oscura. “Cuando comparamos eso con el 5% que comprende el Universo visible, es obvio pensar que la materia oscura debió haber desempeñado un papel dominante en dar forma al Universo primitivo. Los astrónomos pueden decirnos cómo dio forma al Universo, pero sólo los aceleradores de partículas serían capaces de producir materia oscura en el laboratorio y ayudarnos a entender exactamente qué es. ¿Se compone la materia oscura de un solo tipo de partículas o es rica y variada como el mundo normal?” Una posible respuesta implicaría la supersimetría, y, tras la restauración, el LHC será suficientemente potente para crear y detectar algunas de las muy masivas partículas que la supersimetría predeciría.

Los otros tres cuartos del Universo oscuro serían la energía oscura, que se piensa que expande el Universo. El Profesor Heuer cree que el LHC y su investigación del bosón de Higgs podrían ser importantes también aquí.

“El campo de Higgs es escalar, así como la energía oscura. No son lo mismo, pero el estudio del campo de Higgs nos podría contar mucho sobre la energía oscura.”

En resumidas cuentas, “Hasta ahora, sabemos muy poco sobre la materia oscura y sabemos esencialmente nada sobre la energía oscura, pero creo que, con el LHC, estamos cerca de entrar en el Universo oscuro.”

Imagen cortesía del CERN

A lo largo de nuestra entrevista, resulta obvio ver cuánto disfruta el Profesor Heuer acercando la Física a los no-especialistas. Claramente es muy bueno en eso también: “Di una charla pública en la Royal Society en Londres en la cual presenté el LHC, la ciencia alrededor de él y la fascinación por el Universo oscuro. Al día siguiente, recibí un email de un chico de 14 años que escribió que estaba yendo muy bien en Matemáticas y Física y que quería empezar a trabajar en el CERN en 2018.”

Imagen cortesía del CERN

La dificultad, como el Profesor Heuer reconoce, no es provocar el entusiasmo de los jóvenes por la ciencia, sino mantenerla. Con ese fin, enfatiza la importancia de “explicar nuevos desarrollos y temas importantes en la ciencia, por ejemplo usando Science in School”. El Profesor Heuer es claramente un fan.

Mientras terminamos la entrevista, le pregunto al Profesor Heuer si tiene algún consejo para nuestros lectores. “Entusiasmar a los estudiantes dentro de los actuales currículos escolares puede ser muy complicado – si empiezas con la Mecánica del siglo XIX, perderás inmediatamente al 99%. Introducir ciencia moderna, sin embargo, realmente puede ayudar.” Afortunadamente, está convencido de que mucha de ella puede explicarse sin Matemáticas.

Por ejemplo, yo explico el mecanismo de Higgs hablando de periodistas. Por supuesto, para entenderlo completamente y explicarlo, tus estudiantes necesitarían usar Matemáticas, pero eso siempre pueden buscarlo después. Lo que necesitan entender es la lógica.”

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Institution

EIROforum, CERN

Author(s)

La doctora Eleanor Hayes es la editora-jefe de Science in School. Estudió zoología en la Universidad de Oxford, Reino Unido, y realizó su doctorado en ecología de insectos. Después estuvo un tiempo trabajando en la administración de la universidad antes de trasladarse a Alemania para dedicarse a publicaciones científicas en 2001. En 2005, se trasladó al European Molecular Biology Laboratory para lanzar Science in School.




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CC-BY-NC-ND