Descubrimiento del Bosón de Higgs

Transcripción

1 Descubrimiento del Bosón de Higgs Tertulia CEDETRABAJO 6 de agosto 2012 Jorge Mahecha Gómez Instituto de Física, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia

2 Resumen Se describirán algunos experimentos que permitieron concluir la existencia del protón, el neutrón, el neutrino, los quarks, los gluones, entre otras partículas elementales. Se argumentará que el estudio de estas partículas se desenvuelve en medio de una estrecha relación entre los modelos teóricos y los experimentos, siendo la física cuántica el principal soporte conceptual de estas investigaciones. Se comentará acerca de las propiedades del bosón de Higgs y de los experimentos para buscarlo. Finalmente, se harán algunas reflexiones acerca de la importancia de esta investigación y de la conveniencia del apoyo internacional a la misma. 2/68

3 Contenido Concepto de campo desde la cotidianidad Física cuántica: Indeterminación y superposición Dualidad onda-partícula Fotón, electrón, protón, neutrón Neutrino, muón, tauón Quarks, gluones 3/68

4 Rompimiento espontáneo de simetría, Higgs El Modelo Estándar Experimentos Atlas-CMS Discusión y conclusiones Algunas aplicaciones de estas investigaciones El CERN es un patrimonio de la humanidad 4/68

5 La palabra campo 5/68

6 6/68

7 Onda superficial en agua 7/68

8 Ondas longitudinales 8/68

9 Ondas transversales 9/68

10 Campo con espín 10/68

11 Crear ondas sonoras 11/68

12 Las partículas visibilizan las ondas 12/68

13 La doble rendija 13/68

14 Rendija grande: experimento casero 14/68

15 Doble rendija: experimento casero 15/68

16 Dualidad onda-partícula Akira Tonomura, Am. J. Phys. 57, 117, 1989; PRL 56, 792, /68

17 Difracción de electrones 17/68

18 18/68

19 19/68

20 Descubrimiento del electrón En 1894 John Thomson construyó el tubo de rayos catódicos. Comprobó que el haz luminoso no era luz sino un chorro de partículas cargadas. En 1895 Jean Perrin midió la carga. 20/68

21 21/68

22 Descubrimiento del fotón El fotón es el cuanto de luz En 1905, Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico con el concepto de fotón y en 1916 relacionó con la fórmula de Planck de la radiación de cuerpo negro. Los experimentos de Millikan y Compton probaron la hipótesis. A Einstein le dieron por eso el premio Nobel en 1921 y a Compton en /68

23 El protón El químico William Prout lo conjeturó en Fue Descubierto en por Ernest Rutherford, quien le dio ese nombre en Pero Thomson y Chadwick hicieron experimentos esenciales. El mismo Chadwikc descubrió el neutrón en En la taxonomía de las partículas elementales se le clasifica como un barión. Hoy se sabe que no es una partícula elemental, consta de dos quarks up y un quark down. 23/68

24 A diferencia del protón, el neutrón es inestable. El neutrón consta de dos quarks down y un quark up. El protón es un fermión. Se puede afectar por las interacciones gravitacional, electromagnética, debil y fuerte. Se le denota con el símbolo p o p +. Su antipartícula es el antiprotón. Su masa vale kg MeV/c 2 Su carga eléctrica es igual a la del electrón pero positiva, C 24/68

25 Descubrimiento del neutrón Hay cuatro cosas a considerar: (1) evidencias de la existencia del neutrón, (2) comprobación experimental de su existencia, (3) suposición de que está formado por tres quarks, (4) experimentos que prueban que realmente consta de tres quarks. 25/68

26 En 1909 Bothe y Becker descubrieron que si las partículas alfa del polonio, caían sobre átomos de berilio, boro o litio, se producía una radiación mucho más penetrante que los rayos gamma conocidos. Estaban observando los neutrones. Rutherford propuso la existencia del neutrón en 1920, para explicar que los núcleos no se desintegrasen por la repulsión electromagnética de los protones. Los neutrones libres son inestables, duran unos 15 minutos. n e +ν +p 26/68

27 En 1932, en París, Irène Joliot-Curie y Frédéric Joliot se convencieron de que esa radiación extraña no era luz. A finales de 1932 Chadwick, en Inglaterra, realizó una serie de experimentos de bombardear ciertas sustancias con protones que establecieron contundentemente la necesidad del neutrón. 27/68

28 Descubrimiento del neutrino El neutrino fue propuesto en 1930 por Pauli para explicar la desintegración beta de los neutrones, n p + +e + ν e La partícula prevista no tendría masa, carga, ni interacción fuerte, por lo que no se podía detectar con los medios de la época. Los neutrinos atraviesan con extremada facilidad la materia. Se calcula que solo con un bloque de plomo de una 9,46 billones de kilómetros se lograría detener la mitad de los neutrinos que lo atravesaran. 28/68

29 En 1956 Cowan y Reines, en Los Alamos, bombardearon agua pura con un haz de 1018 neutrones por segundo provenientes de un reactor. Fuente de neutrinos por segundo por centímetro cuadrado. Los neutrinos interactuaron con los protones del agua, creando neutrones y positrones. Cada positron creó un par de rayos gamma al aniquilarse con un electrón. Los rayos gamma se detectaron colocando un material sensible a los fotones dentro de un tanque de agua, acoplado con tubos fotomultiplicadores. 29/68

30 Los resultados no fueron absolutamente convincentes. Los experimentalistas idearon otro experimento. Detectaron los neutrones colocando cloruro de cadmio en el tanque. El cadmio es un fuerte absorbente de los neutrones, con lo cual se convierte en fuente de rayos gamma cada vez que absorbe un neutrón. n+ 108 Cd 109m Cd 109 Cd+γ El arreglo permitía detectar el rayo gamma del cadmio 5 microsegundos después del rayo gamma del positrón, si fuera producido por un neutrino. 30/68

31 Usaron dos tanques con unos 200 litros de agua con unos 40 kg de CdCl2 disuelto. Los tanques de agua estaban separados por unas capas de material sensible a la luz que contenían 110 fotomultiplicadores de 127 mm. Cowan murió en 1974; Reines recibió el premio Nobel de 1995 por su trabajo sobre la física de los neutrinos. En 1987 Lederman, Schwartz y Steinberger descubrieron dos restantes tipos de neutrinos: tauónicos y muónicos. 31/68

32 32/68

33 33/68

34 The Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) 34/68

35 El muón Anderson en 1936 observó que los rayos cósmicos contenían unas partículas cargadas cuya masa era mucho mayor que la de los electrones pero con la misma carga de estos. Los hay positivos y negativos. Además no son estables, se desintegran en una millonésima de segundo, µ e + ν e +ν µ, µ + e + +ν e + ν µ. Son los muones. Se les considera partículas elementales. 35/68

36 El tauón No fue descubierto en la naturaleza sino en experimentos. Lewis en 1974 estudió colisiones de electrones en el acelerador de partículas del SLAC, el SPEAR (un colisionador de electrones y positrones). Les pareció extraño el siguiente evento: e + +e e ± +µ + particulas no detectadas 36/68

37 Posteriormente se descubrió que el evento completo era, e + +e τ + +τ e ± +µ +ν e (si e +) +ν µ (si µ ) +ν τ +ν τ Martin Lewis Perl ganó el premio Nobel de física en 1995 por su descubrimiento, junto a Frederik Reines por descubrir el tau-neutrino) 37/68

38 Estructura del protón Haciendo colisionar electrones muy veloces (a 188 MeV) con protones se quiso descubrir si la carga eléctrica dentro del protón estaba uniformemente distribuída. En experimentos realizados por SLAC-MIT (Stanford Linear Accelerator Center) entre 1967 y 1973 se aceleraron electrones a energías de hasta 21 GeV y se les hizo colisionar con blancos formados por protones. 38/68

39 La distribución angular de los electrones dispersados de la reacción e +p e + + e +p+π 0 contiene evidencias de la estructura del protón. Este y otros experimentos convencieron a los investigadores de la justeza de la predicción de los quarks por parte de Gellmann y Zweig, en /68

40 40/68

41 La palabra Quark Murray Gell-Mann buscó una palabra sin sentido, para nombrar una cosa sin paralelo en el mundo real. En el libro de James Joyce titulado Finnegans Wake figura esa palabra: Three quarks for Muster Mark! Sure he has not got much of a bark And sure any he has it s all beside the mark. La frase three quarks en inglés encajaba con el hecho de que en ese tiempo sólo se conocían tres quarks y de que los bariones se formaban con tres quarks. 41/68

42 42/68

43 Gluones Los gluones son partículas elementales cuyo intercambio proporciona la fuerza fuerte entre los quarks, de manera análoga a la interacción entre partículas cargadas vista como un intercambio de fotones. La fuerza que se origina en los gluones la llaman fuerza del color y origina la fuerza fuerte que da lugar a estructuras formadas por quarks, como son los hadrones (tres quarks) y los mesones (dos quarks). Los protones y neutrones se ligan en los núcelos por medio de la fuerza fuerte. 43/68

44 Hay ocho tipos de gluones El fotón no tiene carga eléctrica, pero los gluones llevan cierto tipo de carga análoga a la carga eléctrica pero diferente de la misma, llamada carga del color. Es decir su papel de pegante no se reduce al simple intercambio de gluones. 44/68

45 W +, W, Z 0 La interacción debil se debe al intercambio de los bosones débiles. El Z 0 no tiene carga eléctrica y es su propia antipartícula. Las tres tienen un tiempo de vida de unos s. Su descubrimiento mostró el gran poder predictivo del Modelo Estándar. El W se llama así por lo de fuerza debil. 45/68

46 Weinberg llamó la Z así para recalcar que era la última partícula necesaria en el modelo. Los dos bosones W son mediadores en los procesos de absorción y emisión de neutrinos. Su carga depende de si en el proceso interviene un electrón o un positrón. Son cruciales para entender la transmutación nuclear. El Z no interviene en la absorción o emisión de electrones y positrones. Pero si en los procesos de dispersión de neutrinos por la materia, la cual no requiere cambios de carga eléctrica. Este bosón sin carga proporciona la fuerza de interacción entre electrones y neutrinos. 46/68

47 Algunas reacciones El decaimiento del neutrón, n 0 p + +e +ν e se debe al cambio de un quark d por uno u, d u+w seguida por el decaimiento del W, W e +ν e El intercambio de un bosón Z se denomina corriente debil neutra, deja las partículas sin afectarse, solo sirve para transferir momento. 47/68

48 48/68

49 49/68

50 50/68

51 51/68

52 Decaimientos del bosón de Higgs H b+b H τ +τ H W +W 2µ+2ν p + +p + H 2γ p + +p + H 2Z 0 2L + +2L Se requieren calorímetros de electrones, muones, tauones y gammas. Se concluyó que la masa de la partícula encontrada es de unos 125 GeV. 52/68

53 Rompimiento espontáneo de la simetrí Trabajo con Alberto Sánchez 53/68

54 Algunas conclusiones Controversias acerca de la partícula que reportó el CERN el 4 de julio de 2012 y que podría ser el bosń de Higgs Observaron una partícula que no pertenece a la lista de las conocidas. No se conocen todas sus propiedades. Si es el Higgs del Modelo Estándar es un éxito para los que predijeron su existencia. Si no lo es, se tendría un reto para los teóricos. Ese sería el caso si sus propiedades no coincidieran con las del Higgs del Modelo Estándar. Posiblemente existirían otras particulas similares. 54/68

55 La partícula observada en el CERN tiene una tasa de decaimiento en dos fotones que es el doble de la esperada para el bosń de higgs. Su espín puede ser 0 como el del bosón de Higgs, pero podría la resonancia observada también tener espín 2. Con altísima probabilidad hay un bosón con masa 125 GeV o 126 GeV, pero eso solo es consecuencia de que debe tener una masa un poco mayor que la del W. El punto decisivo, todavía por verificar, son los modos de decaimiento del bosón observado para estar seguros de que coinciden con los esperados del bosón de Higgs, 55/68

56 Los gringos del FERMILAB el 2 de julio hicieron un anuncio similar al del CERN, aclarando que "[el resultado experimental] nos da confianza en la existencia del Higgs pero es una prueba muy alejada e indirecta." El Blog de vixra publicó una herramienta para visualizar los datos experimentales acerca del bosón de Higgs 56/68

57 Unofficial Higgs Combinations [de los datos de cinco experimentos] Allí se pueden observar otros picos, que los teóricos deberían explicar. No los deberían despachar diciendo que solo son fluctuaciones estadísticas. Usa los datos de los experimentos ATLAS, Dzero, CDF, CMS, LEP 57/68

58 Herramienta del blog de vixra 58/68

59 Explicaciones de ascensor /2012/07/three_central_new_york_physici.htm 59/68

60 El bosón de Higgs es una piedra angular para la comprensión de la unificación de fuerzas. Se confirma la teoría que unifica el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil. El Modelo Estándar predice el bosón de Higgs, pero sólo ahora se confirma experimentalmente. Al explorar las propiedades de la nueva partícula observada, aparece espacio para teorías que abarcan y extienden el Modelo Estándar. Se espera que esas teorías expliquen la naturaleza de la materia oscura, la ausencia de antimateria en el universo, y la estabilidad del protón, entre otras cosas. Se busca comprender el origen del universo y el mecanismo del Big Bang. 60/68

61 Muchas teorías de la física exploran las simetrías en la naturaleza. La teoría de la materia y las fuerzas, llamada Modelo Estándar, no es una excepción. Los teóricos se dieron cuenta de que la inclusión de las masas de las partículas en las ecuaciones fundamentales implicaba una pérdida de la deseada simetría. El mecanismo de Higgs, la teoría de más de 50 años por Peter Higgs, era una manera de sortear este problema. 61/68

62 En esencia, las partículas fundamentales adquieren masa por la forma en que interactúan con el "campo de Higgs" que impregna todo el espacio. Otro resultado de Higgs fue la predicción de que una partícula física relacionada - el bosón de Higgs - que debe producirse, aunque muy raramente, en las colisiones de muy alta energía.... Después de más de 50 años de espera, las colaboraciones en el Gran Colisionador de Hadrones anunciaron que tenían, sin dudas, la escurridiza partícula. Su existencia es fundamental para nuestra comprensión de lo que la masa es en realidad. 62/68

63 La idea básica es que el espacio vacío no está realmente vacío - está impregnado por una sustancia llamada el campo de Higgs. Está presente en todo el espacio y en todo momento y representa el estado de energía más bajo del universo - el vacío. Las partículas elementales que tienen masa avanzan a través del campo de Higgs viajan más lento que la velocidad de la luz, se dice que adquieren masa (las partículas con masa cero sólo pueden viajar a la velocidad de la luz). Así, el valor no cero del campo de Higgs es lo que da todas las partículas elementales su masa, y puesto que toda la materia visible se compone de tales partículas elementales, con lo que genera el origen de toda la materia ordinaria en el Universo. 63/68

64 Si una persona no famosa se mueve entre un grupo de personas adictas por los temas de farándula, podrá hacerlo sin mayores dificultades. Esa persona se puede mover como una partícula sin masa Si la que apareciera fuera una celebridad, la cantidad de adolescentes que se arremolinarían a su alrededor para conseguir un autógrafo o una foto sería mayor, lo que aumentaría su resistencia al movimiento y convertiría a Elianis en una partícula con masa. Si lo que atravesara la habitación fuera un rumor, los adolescentes también se arremolinarían, pero entre ellos: formarían entonces bosones de Higgs. 64/68

65 EL FUTURO DE LA CIENCIA: INVE Hemos llegado al límite de lo que se puede hacer en un laboratorio: la nueva ciencia necesita de la cooperación de cientos o miles de personas y de dispositivos cada vez más costosos y complejos, opina el físico Isidro González, participante del CMS, uno de los experimentos para hallar el bosón. El CERN, con sus grandes instalaciones y sus más de investigadores, es el mejor ejemplo: casi 50 Estados participan de un proyecto cuya construcción y mantenimiento ha costado millones de euros (España adeuda aún 40). Es caro reconoce González, pero son proyectos muy largos, de 20 o 25 años. Por otro lado, no hay que olvidar que millones es la décima parte de la deuda de Bankia y menos de lo que 65/68

66 Cuatro mil millones de Euros * pesos = = 10 billones de pesos En 2009, Colombia invirtió en gasto militar el 3,7 por ciento de su Producto Interno Bruto (PIB). Según el Instituto Internacional de Estudios para la Paz, en total se utilizaron ese año millones de dólares (más de 19 billones de pesos) en este rubro. CON LO QUE BOTA LITERALMENTE COLOMBIA CADA AÑO EN GUERRAS, ESTE PAÍS TENDRÍAN LOS RECURSOS PARA CONSTRUIR Y FINANCIAR TODO EL CERN. 66/68

67 El CERN es además un centro público, sus resultados de investigación y tecnológicos están a disposición de cualquier empresa, en algunos casos de modo gratuito. Aun así, hay a quien no le cuadra esta lógica, como al Gobierno de España, que puede dejar en la calle a gran parte de los físicos españoles que han participado en el proyecto. Tal vez alguien debería recordarles la anécdota de Faraday, a quien, cuando investigaba la electricidad, el ministro de Hacienda preguntó para qué servía eso: No lo sé -contestó-, pero seguro que sus sucesores cobrarán impuestos por ello. Sin olvidar que en el camino de la investigación se pueden hacer grandes inventos técnicos: la web se la debemos, precisamente, a los investigadores del 67/68

68 Aplicación directa de las investigaciones sobre neutrinos Una buena: prospección de minerales que contienenen elementos radiactivo Una mala: militar phtoad/v65/i3/p46_s1?isauthorized=no 68/68