Higgsmanía

noviembre 4, 2013

Estamos en época de premios Nobel. Obviamente para la comunidad intelectual mexicana (y gran parte de la latinoamericana, creo) los que más se comentan y aprecian son los de literatura, paz y quizás, aunque menos, el de economía. Yo creo que ello se debe, entre otras cosas, a que son prácticamente los únicos en los que se “siente” que tenemos oportunidad de ganar, sobre todo los dos primeros. En fin, que estamos en época de anuncios y que se ha anunciado uno de los premios Nobel más esperados de la historia: el premio Nobel de física por la predicción del Higgs (¡esperó como 40 años!).

Francois-Englert-Peter-HiggsAsí es, el premio Nobel de física se anunció y fue otorgado a dos de las personas que predijeron la existencia de la partícula llamada Higgs, de la cual ya hemos discutido en este espacio y probablemente lo hagamos de nuevo en un futuro cercano. No se lo dieron a los que la descubrieron, al menos no este año. Se lo otorgaron a los que lo predijeron (bueno a dos de los que viven): Francois Englert y Peter Higgs. Espero pronto también comentar un poco sobre los premios otorgados en las áreas de Química y Medicina de este año.

Claro que todos los que de alguna manera estamos relacionados con el campo de la física, especialmente los que nos dedicamos a la física de partículas, estamos muy contentos y nos sentimos felices de este acontecimiento. Es más, ya en plan necio, hasta nos sentimos parte del premio. De hecho, el haber estado trabajando durante décadas en problemas relacionados con la partícula de Higgs, como que le da un sabor especial. Por un lado estamos los científicos que utilizando las ideas relacionadas con el Higgs, hemos ido más allá haciendo múltiples predicciones que están aún por verificarse (o en su defecto descartarse). Por otra parte, imaginen el beneplácito de las personas que estuvieron involucradas en la detección y confirmación de su existencia, cosa que sucedió en el Gran Colisionador de Hadrones o LHC por sus siglas en inglés. En ese colisionador han trabajado miles de personas: desde los que lo diseñaron y construyeron (colisionador y/o detectores), hasta los que participaron en la búsqueda específica de la partícula de Higgs. Existen también muchas otras personas buscando cosas nuevas que estamos esperando con ansia. Independientemente de quienes hayan trabajado específicamente en encontrar al Higgs, todas ellas se encuentran contentas y orgullosas de lo que ese laboratorio y colisionador han demostrado ser capaz de hacer.

mexican-hatEn ese intenso momento de emociones a veces suceden algunas cosas raras, especialmente cuando tenemos una inmensa necesidad de comunicar de manera rápida e impactante, a veces incluso sacrificando veracidad y prudencia. Así pues, en los días (horas) posteriores al anuncio, fue común ver en la prensa mexicana entrevistas realizadas a algunos colegas nacionales en donde, fuera de contexto, se les atribuía el decir que el premio tenía parte para los mexicanos, ya que también hubo mexicanos involucrados en el descubrimiento del Higgs: ¡Por fin un Nobel de física para México! (aunque sea un pedacito chiquititito, ¿no? Ándenle, no sean gachos.). Ahora que han pasado unos días más y que creo que el calor de la noticia se ha diluido un poco, me atrevo a hacer algunas precisiones.

Primero: el premio, como dije arriba, no fue otorgado a las personas que descubrieron el Higgs. El premio se otorgó a las personas (dos de ellas) que matemáticamente, utilizando teorías físicas bien establecidas y verificables, predijeron su existencia (así deben ser las teorías en la física, no son simplemente una idea de alguien; tienen que hacer predicciones verificables). Segundo: el premio lo podemos considerar parte de toda la humanidad, no solo de un país o un estado o del barrio en donde nació la persona galardonada. El premio fue otorgado a la predicción, pero sí gracias a que se ha confirmado su veracidad: ¡el Higgs existe! Por ende ha pasado a formar parte del bellísimo patrimonio humano de conocimiento que hemos logrado generar. Así que festejen todos, no importa de dónde sean. Tercero: en el descubrimiento del Higgs efectivamente participaron algunos científicos mexicanos. ¿Quiénes son? Existen dos “detectores” en el LHC que participaron en el descubrimiento; se llaman CMS y ATLAS. Los mexicanos que participaron directamente en la búsqueda del Higgs son (hay otros participando en otras cosas): Jacobo Konisberg del CMS quien trabaja en la Universidad de Florida, José Feliciano también en el CMS y trabajando en el CERN, Luis Flores Castillo de ATLAS trabajando en la Universidad de Wisconsin, Elizabeth Castañeda de ATLAS y de las Universidades de Wisconsin y Johannesburg e Isabel Pedraza quien un tiempo estuvo en ATLAS y en la Universidad de Wisconsin y más recientemente en CMS trabajando en la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

A todos ellos una felicitación muy fuerte. Orgullosos debemos estar todos de que hayan logrado contribuir a este descubrimiento tan trascendente para el conocimiento humano.


Cazando fantasmas

abril 15, 2013

Prácticamente no interaccionan con nada. Si llenáramos el espacio exterior con agua podrían atravesar, en promedio, una distancia aproximada de 7 años luz sin interaccionar con los protones y neutrones del agua. Esta situación representa un problema ya que para cazarlos se requiere que interaccionen con nuestras trampas.

ghostbusters-2-1-1024Bueno, en realidad no son fantasmas. A diferencia de éstos nuestros protagonistas si existen y – aunque difícil – hemos podido detectarlos y estudiarlos. Se les conoce como neutrinos y el primero fue descubierto en 1956. Desde entonces hemos descubierto que existen tres tipos distintos y de que, contrario a lo que se creía en un principio, tienen masa. Pequeña, pero tienen.

Algo muy interesante de los neutrinos es que a pesar de ser difíciles de detectar son las partículas más abundantes en el universo. Las estrellas funcionan gracias a la fusión nuclear que consiste en la unión de dos átomos en otro más pesado y energía. Esa energía se manifiesta en forma de fotones (luz) y neutrinos. Para darnos una idea del número de neutrinos producidos en una estrella les pido que observen la uña de uno de sus dedos, el que sea, no importa. Bien, pues cada segundo atraviesan su uña alrededor de cien mil millones de neutrinos producidos por el Sol.

¿Y entonces cómo los detectamos? Como dijimos antes, en promedio los neutrinos atraviesan todo sin interaccionar. En promedio significa que unos atraviesan más, otros menos, pero que la mayoría atraviesan alrededor de los 7 años luz. Obviamente para detectarlos necesitamos que al menos algunos de ellos interaccionen en una distancia mucho menor a 7 años luz. De hecho, si queremos detectar neutrinos que se produjeron en el Sol, necesitamos que interaccionen dentro de unos 8 minutos luz, es decir, dentro de la distancia entre el Sol y la Tierra. Peor, como no podemos llenar de agua el espacio entre el Sol y la Tierra, en realidad lo que necesitamos es que los neutrinos interaccionen dentro de algún recipiente con agua que podamos fabricar. Lo único que nos puede salvar y hacer posible la detección es precisamente el hecho de que el Sol produce una cantidad enorme de neutrinos. La mayoría – la gran mayoría – atravesará la Tierra y los detectores que construyamos sin dejar ningún rastro, pero es posible que algunos pocos si logren interaccionar y que seamos capaces de registrar esa interacción. ¡Es una locura!

La interacción: Lo que esperamos es que uno de ellos colisione con un protón del agua. Esta colisión hará que el intercambio de energía genere la creación de otras partículas. Una de ellas será un positrón, que debido a la gran cantidad de energía intercambiada se moverá con una rapidez superior a la de la luz en el agua (nada viaja más rápido que la luz en el vacío, pero la luz viaja más despacio en el agua, así que es posible que un positrón viaje más rápido que la luz en el agua) y ésto generará un tenue destello de luz muy específico que se puede buscar y registrar.

neutrino_detector_super_kamiokandeDetector: Necesitamos un tanque de agua lo más grande posible. Este tanque de agua deberá tener en sus paredes algo que sirva como receptor de luz para poder detectar los destellos generados por los rápidos positrones. Además, para estar seguros de que lo que le pegó a los protones del agua fueron los neutrinos y no alguna otra partícula metiche que anduviera viajando por ahí, necesitamos poner el tanque en el interior de una mina o una montaña para que la roca absorba cualquier otra partícula impostora. ¡Así se cazan los neutrinos!

¿De dónde vienen los neutrinos? Los neutrinos son producidos en cualquier tipo de reacción nuclear. Nosotros emitimos positrones y neutrinos a cada rato, debido al potasio inestable que tenemos en nuestro cuerpo. La Tierra produce radiación en su interior (eso es lo que calienta el material que sale del volcán) y por lo tanto emite neutrinos. Sin embargo para poder detectarlos necesitamos que se produzcan en cantidades inmensas. Hay tres fuentes principales que utilizamos. Una: el Sol. Otra es la atmósfera. En este caso son los rayos cósmicos (principalmente protones) que vienen del espacio exterior y colisionan con los gases de la atmósfera generando cantidades importantes de neutrinos. NeutrinosFinalmente la tercera fuente son los reactores nucleares construidos por nosotros mismos. Otra fuente interesante son las supernovas, estrellas que mueren en una gran explosión liberando cantidades inmensas de neutrinos. El problema con éstas es que necesitamos esperar a que estalle una para poder recibirlos, no representan una fuente constante de neutrinos (por eso no la cuento como parte de las 3 principales).

Un comentario final: el Sol produce fotones (la luz que nos llega y es responsable de la fotosíntesis y tu vida) y neutrinos. Un fotón producido en el interior del Sol colisiona con los protones y neutrones presentes en el medio solar y tarda en salir y llegar a nosotros alrededor de un millón de años. Los neutrinos no interaccionan y salen inmediatamente. Entonces, para poder ver el interior del Sol como es ahora, necesitamos ver los neutrinos, no la luz. Para ver el interior del Sol tenemos que ir a un tanque de agua situado en el interior de una mina a buscar un pequeño destello de luz producida por un positrón que a su vez fue producido por un neutrino solar. Maravilloso.

¿Y de qué sirve todo esto? ¿ideas?


Una idea descabellada, insensata

abril 7, 2013

Al contemplar nuestro alrededor nos damos cuenta que existe una multitud de objetos con características muy distintas. Colores, texturas, formas, olores, consistencias, temperaturas y sabores que nos invaden y dentro de los cuales existimos. Al contemplarlo con calma nos damos cuenta que no es obvio encontrar patrones o semejanzas en dicha vastedad de propiedades. ¿Qué puede tener en común la sangre humana con la pantalla de un televisor? ¿En qué se parece la hoja de papel en que están escritas estas palabras y el ojo de un sapo? ¿La arena caliente y seca del desierto comparada con las escamas de un pez?

Hace mucho tiempo surgió una idea descabellada: todo lo que existe está hecho, conformado, por unos cuantos elementos básicos. Unos cuantos entes fundamentales a partir de los cuales todo – si todo – lo que existe en el universo está formado. Estarán de acuerdo en que suena descabellado, demasiado simple ¡Sencillamente absurdo!

atoms1Con la aparición de la ciencia hemos ido adquiriendo un poco de conocimientos acerca de la naturaleza. Tenemos una herramienta que nos permite poner a prueba las ideas, aún las más descabelladas, y ver si tienen algo de razón o si son simplemente erróneas. Aunque estamos de acuerdo en que la idea arriba mencionada es descabellada, no deja de ser interesante y atractiva. De ser cierta podríamos intentar explicar todo lo que nos rodea a partir de sus elementos básicos. Tendríamos la oportunidad de intentar comprender toda esa vasta e intimidante gama de fenómenos a partir de algo simple y sencillo. ¡Es obvio que tenemos que averiguar si la idea tiene algo de sentido!

¿Cómo empezamos? Lo primero que se nos ocurre es agarrar una muestra de algún material y cortarla en trozos lo más pequeños posible. Luego podemos hacer lo mismo con otro material y comparar los trozos. Claro está que para poder cortar los trozos cada vez más pequeños necesitaremos utilizar cuchillos cada vez más delgados y filosos. Llegará un momento en que será imposible utilizar un cuchillo y tendremos que recurrir a algún otro método para cortar. Tendremos que inventar nueva tecnología que nos permita hacerlo.

Los primeros logros en esta dirección se dieron durante el siglo XIX. La química y la física permitieron ir desentrañando una aparente estructura básica en todos los materiales que se analizaban. Con la tecnología de ese momento se empezó a constatar que existían ciertas sustancias que al tratar de dividirlas ya no se podía. Los científicos de la época se apresuraron a determinar si existía un número finito de dichas sustancias y cuáles eran sus propiedades. Así se fueron descubriendo los llamados elementos químicos: sustancias que ya no pueden ser separadas en otras. Sustancias inseparables, indivisibles. Llenos de entusiasmo por tan impresionante descubrimiento, los científicos de la época

se emocionaron y declararon haber encontrado los entes fundamentales a partir de los cuales todo está formado. A las sustancias les llamaron elementos químicos (por ejemplo oro, hidrógeno, tungsteno, etc.) y a los entes fundamentales de cada sustancia átomos (en nuestro ejemplo átomo de oro, de hidrógeno, de tungsteno, etc.).

periodic-coolEntonces, ¿es cierto que los átomos son los bloques básicos fundamentales a partir de los cuales está formado todo? Pues no. Tuvimos un momento de euforia y nos adelantamos a nombrar indivisible a lo divisible y, para que no se nos olvide el error, les hemos dejado el nombre de átomos a esas estructuras que encontramos y que parecían indivisibles. En efecto, todos los objetos que podemos ver están formados de átomos, sin embargo, como veremos en otro momento, los átomos son divisibles en entidades aún más pequeñas: quarks y leptones.

Antes de irnos recordemos que nos trajo hasta aquí. Partimos de la descabellada y absurda hipótesis de que todo lo que existe en el universo está hecho de algunos entes fundamentales básicos. Al descubrir lo que ahora llamamos átomos nos percatamos de que efectivamente todo parece indicar que la hipótesis es correcta. Ahora sabemos que los átomos en realidad si son divisibles y también conocemos de qué están formados. En el camino hemos desarrollado una impresionante cantidad de tecnología que ha podido ser también utilizada en muchas aplicaciones de la vida cotidiana. El ejemplo quizás más evidente es el internet, creado en el CERN, laboratorio donde se ha estudiado este tipo de problemas desde hace décadas. Es asombroso que una idea tan aparentemente ingenua y contraria a nuestra intuición, haya revolucionado nuestro entendimiento de la naturaleza y la forma en que vivimos. Más de las veces la naturaleza nos ha enseñado, a través de su estudio detallado y cuidadoso, que la realidad puede ser muy diferente a nuestras ideas preconcebidas. Casi siempre hemos tenido que cambiar la forma de pensar. En la ciencia se requiere una mente abierta, es decir, una mente inquisitiva, crítica y que además, ante la evidencia confirmada, sea capaz de reconocer que se equivoca.

Entonces, ahora si para poder irnos, les pido el siguiente favor. Piensen en la cosa (objeto) más desagradable que puedan imaginar. Ahora piensen en el objeto más bello y placentero que puedan imaginar. Bueno, ambos, y ustedes, están hechos exactamente de lo mismo.