EL ¨BOSÓN DE HIGGS¨ Y EL ¨PENTAQUARK¨          

Por: José Márquez Ceas

El 14 de marzo 2018 falleció Stephen Hawking a los 76  años de edad. Fue el más grande astrofísico y cosmólogo de nuestro tiempo. Tenía una mente privilegiada solo comparable con la de Albert Einstein. Un hombre que demostró que la mente se sobrepone al cuerpo ya que a pesar de sus grandes limitaciones físicas en locomoción y en el habla, encontró la manera de movilizarse en una silla de ruedas especial y expresarse a través de un sintetizador de voz conectado a una computadora móvil.

En homenaje a Hawking comparto con mis lectores el siguiente artículo sobre los 2 principales descubrimientos del Acelerador de Partículas Subatómicas (el Gran Colisionador de Hadrones, LHC), experimentos sobre los cuales Hawking expresó grandes preocupaciones, como podrán  comprobarlo los  que lean este artículo.

Los ¨hadrones¨ son partículas subatómicas sujetas a la "fuerza nuclear fuerte". Pueden ser partículas subatómicas como: protones, neutrones, y otras menos típicas, como los mesones.

Sin la¨fuerza nuclear fuerte¨ los protones (que tienen carga positiva y por tanto se repelen) no podrían permanecer unidos en el núcleo.

La ¨fuerza nuclear fuerte¨, ¨la fuerza nuclear débil¨, la ¨fuerza electromagnética¨, y ¨la fuerza de la gravedad¨, son las cuatro fuerzas fundamentales del universo que Einstein trató de explicar en una sola ¨teoría de campo unificado¨, trabajo al que dedicó los últimos 7 años de su vida sin haberlo logrado (falleció en 1955). La investigación de Einstein fue proseguida por los científicos que buscan la famosa ¨teoría del todo¨ o ¨teoría de la gran unificación¨.

Los ¨colisionadores de partículas subatómicas¨ más comunes son los que hacen colisionar electrones y positrones. También están los que colisionan electrones con protones y los que colisionan iones pesados.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, en inglés), fue construido entre 1991 y 1998 por la Organización para la Investigación Nuclear Europea (CERN), con un costó de 5,000 millones de euros. Su mantenimiento anual es de unos 1,100 millones de euros, según datos de 2014. Esos costes los financian cerca de 100 países, en partes proporcionales a su grado de participación en el proyecto.

El LHC se construyó bajo tierra ya que es una forma segura de protección contra la radiación. Se encuentra a 175 metros bajo el suelo y su complejo de túneles alcanza los 27 kilómetros de largo.

Está compuesto por 9,600 super-imanes que ofrecen una fuerza gravitacional 100,000 veces más potente que la fuerza gravitatoria de la Tierra. Estos imanes disparan los protones hacia una pista circular a velocidades alucinantes. Un rayo puede rotar por el colisionador hasta durante 10 horas, viajando a una distancia de más de 10,000 millones de kilómetros.

El LHC además de ser un colisionador de hadrones puede colisionar iones pesados. En realidad el LHC puede hacer más de un tipo de experimento. Pero el que produjo la mayor expectativa en el mundo de la física fue la colisión de dos protones para demostrar o desmentir la teoría del campo de Higgs.

El gran cosmólogo y astrofísico Stephen Hawking, considerado el padre de la astrofísica moderna, y otros científicos mundialmente reconocidos, expresaron sus temores acerca de un incontrolado dominio de las poderosas fuerzas creadas por las colisiones de partículas, que podrían tener serias y fatales consecuencias para nuestro planeta.

La preocupación que nos legó Hawking sobre el riesgo de las colisiones de partículas subatómicas se mantiene vigente. Esa preocupación aumentará cuando China concluya la construcción de su gigantesco super colisionador de partículas subatómicas, que será el más grande y potente del mundo según declaraciones del director de ciencias experimentales chino.

Bajo el experimento del LHC buscando el ¨Bosón de Higgs¨ se realizan millones de colisiones y una computadora monitorea todas ellas y escoge las mas relevantes. Esta partícula tiene una existencia excepcionalmente corta, y solo pueden ser observados los efectos indirectos de su presencia, es decir, las radiaciones que produce al desintegrarse.

Pero, además, es necesario observar varias veces el fenómeno en una taza porcentual que descarte las coincidencias. Así que la confirmación toma meses y a veces años.

Al ¨bosón de Higgs¨ se le nombró así en honor a Peter Higgs quien, junto con otros científicos, propuso en 1964 el llamado mecanismo de Higgs, para explicar el origen de la masa de las partículas elementales.

El ¨bosón de Higgs¨ no posee espín (no gira), no tiene carga eléctrica o color, es muy inestable y se desintegra rápidamente: su vida promedio es del orden del zeptosegundo (una miltrillonésima parte de un segundo), un evento de una duración infinitamente pequeña que el ser humano no puede percibir.

El 4 de julio de 2012, el CERN anunció que había detectado una nueva partícula que era totalmente congruente con el bosón de Higgs.

El 14 de marzo de 2013 el CERN, con el doble de datos de los que disponía en julio de 2012, se encontró que la nueva partícula se asemejaba aún más al bosón de Higgs. La manera en que interactuaba con otras partículas y sus propiedades cuánticas, junto con las interacciones medidas con otras partículas, indicaban que en efecto era un bosón de Higgs.

El 8 de octubre de 2013 la Academía de Ciencias le concedió a Peter Higgs, junto a François Englert, el Premio Nobel de física "por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestro entendimiento del origen de la masa de las partículas subatómicas, descubrimiento que fue confirmado por los experimentos ATLAS y CMS en el Colisionador de Hadrones del CERN¨.

La existencia del ¨Bosón de Higgs¨ y del campo de Higgs asociado al mismo, serían el más simple entre varios métodos del modelo estándar de física de partículas que intentan explicar la razón de la existencia de masa en las partículas elementales. Esta teoría sugiere que un campo impregna todo el espacio, y que las partículas elementales que interactúan con él adquieren masa, mientras que las que no interactúan con él, no la tienen.

El ¨Bosón de Higgs¨ fue apodado por los medios como ¨La partícula de Dios¨, término desafortunado e inadecuado porque el apodo fue creado por el título de un libro escrito por el Premio Nobel de Física, León Lederman. Según se dice, el apodo lo pusieron los medios contra su voluntad, ya que Lederman dijo que quería llamarla mas bien ¨Goddamn Particle¨ (Partícula Maldita por Dios), porque “nadie podía encontrar esa cosa”.

“'Partícula de Dios' (God Particle) es un apodo que no me gusta”, dijo. “Aunque se menciona a Dios, nada tiene que ver con la religión; la única similitud (teórica) es que estás observando algo que es un campo que está en todas partes, en todos los espacios” (y no lo puedes ver).

En el año 2015, el LHC reanudó sus operaciones después de un período de mantenimiento de más de un año, con un haz de energía que sustancialmente era más potente.

Como resultado, en julio 2015 el LHC descubrió una nueva partícula a la que se denominó ¨Pentaquark¨, cuya existencia se sospechaba desde los años 60, pero al igual que con el ¨Bosón de Higgs, el ¨Pentaquark¨ eludió a los científicos por décadas.

En 1964, dos físicos -Murray Gell Mann y George Zweig- propusieron cada uno por su lado la existencia de partículas subatómicas conocidas como quarks, cuya existencia fue confirmada por el LHC en 2015.

El descubrimiento de esta nueva forma de la materia (Pentaquark) fue hecho por el equipo del experimento LHCb, y presentado en la revista Physical Review Letters.

Los ¨Pentaquarks¨ también podrían ser producidos por las estrellas supernovas como parte del proceso de formación de una estrella de neutrones. El estudio de los ¨Pentaquarks¨ podría ofrecernos ideas de cómo se forman estas estrellas, y permitir a los científicos un mejor estudio de la ¨fuerza fuerte¨ nuclear y de las interacciones de partículas.

El descubrimiento del ¨Bosson de Higgs¨ y del ¨Pentaquark¨, representan dos de los mayores avances de la ciencia física en la segunda década de nuestro siglo XXI, que nos conducen hacia la comprensión de cómo se formó el Universo a partir del Big-Bang y como se comportan las fuerzas y partículas fundamentales en el núcleo atómico.