Post invitado: El bosón de Higgs y Marte

Esta entrada participa en el quinto aniversario del blog.

Su autor es @riemannium, físico teórico. También podéis leerle en su blog The Spectrum of Riemannium.

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¡Hola, blogosfera! En este post invitado que amable y gentilmente me ha ofrecido la blogger Silvia, intentaré ofrecer una opinión con una doble vertiente, personal y científica, sobre estos dos acontecimientos que marcarán un antes y un después en sus respectivas disciplinas, así como mi impresión personal sobre los científicos y la importancia de la Ciencia en estos tiempos.

El verano de 2012 será largamente recordado por dos hitos científicos que seguirán dando que hablar bastante tiempo, y que posiblemente motiven a jóvenes en todo el mundo. A saber:

1º. El descubrimiento del bosón de Higgs, anunciado el 4 de julio de 2012.

2º. La llegada a Marte de la mayor sonda exploradora robótica que el ser humano haya mandado sobre la superficie de un planeta del Sistema Solar, el Curiosity. El suceso del exitoso amartizaje ocurrió y fue anunciado el 6 de agosto de 2012.

El bosón de Higgs era, hasta hace poco más de un mes, una partícula teórica que el Modelo Estándar de las interacciones de partículas subatómicas requería para su propia consistencia. Éste era el Modelo Estándar hasta este verano:

Ahora tenemos otra partícula más...

Tal vez no es tan simpática como la siguiente imagen:

Introducida por el físico teórico Peter Higgs (no, Peter no hace negocios en The Particle Zoo), a mediados de los años 60 del siglo XX, para lograr lo que se denomina en términos técnicos “la ruptura espontánea de simetría electrodébil”, era el Santo Grial del Modelo Estándar. Todo el mundo lo buscaba afanadamente desde el descubrimientos de las llamadas corrientes débiles neutras (sin carga eléctrica), a mediados de los años 70 del siglo pasado también, y principios de los 80. El bosón de Higgs no es simplemente una partícula más del más exitoso modelo que explica la estructura microscópica de la materia y la energía hasta la fecha. Era esencial buscarlo por diferentes motivos, dado que el campo que lo genera, de corto alcance y de duración pequeñísima, es responsable también de algo que no comprendemos todavía del todo: la masa de los leptones y de los quarks. ¿Por qué era importante buscar y encontrar el bosón de Higgs? Una lista no exhaustiva sería la siguiente:

1º. La consistencia de la teoría, el Modelo Estándar, requería la existencia de la partícula.

2º. Los modelos y teorías con bosones de Higgs que exceden el ámbito de aplicación del Modelo Estándar, la llamada Física Más Allá del Modelo Estándar, representan las teorías más prometedoras para la Unificación de todas las interacciones. Hay cuatro interacciones conocidas “fundamentales”: la interacción gravitatoria, la interacción electromagnética, la interacción nuclear fuerte y la interacción nuclear débil.

3º. El bosón de Higgs es necesario para explicar por qué el fotón carece de “masa” mientras que los llamados bosones W y Z son “pesados”, algo así como fotones “gordos”.

4º. El bosón de Higgs y su campo ofrecen una manera de explicar el origen de la masa desde un punto de vista microscópico. La masa de una partícula mide su “grado de interacción” con el campo de Higgs. Las partículas que no interactúan con él, como el fotón, los gluones de la teoría llamada QCD, o el hipotético gravitón, en principio, carecen de masa y no interactúan con el bosón de Higgs. Al menos, en el Modelo Estándar Mínimo, que es el actual más o menos vigente (con permiso del rol que tienen los neutrinos).

A diferencia de las pseudociencias, la magia, y resto de “artes adivinatorias”, el arte de la predicción en Ciencia es algo muy difícil, en especial con modelos y teorías. Todos recordamos de la escuela cómo los sucesivos modelos atómicos, desde el modelo del Dalton, pasando por el de Thomson y otros más exóticos, al de Rutherford o el de Böhr fueron progresivamente cayendo hasta llegar al actual modelo de Mecánica Cuántica, del que el Modelo Estándar es una extensión especial que requiere la inclusión de relatividad  especial y del concepto de campo cuántico. El hecho de que el propio Peter Higgs llorara durante la conferencia donde se expusieron los datos sobre el hallazgo de su bosón, son las lágrimas de un teórico, de un ser humano, que ha tenido éxito. Su teoría es correcta. Enhorabuena.

Y ha habido muchos casos en la Ciencia donde los científicos no han visto el triunfo de su éxito. Por ejemplo, la predicción del retorno del cometa de E. Halley.

Los bosones de Higgs, y el campo de Higgs que permea todo el Universo, existe. La Naturaleza podría haber escogido una forma más “retorcida” para explicar el origen de la masa o la ruptura de simetría electrodébil, pero ha elegido ser consistente con la teoría del bosón de Higgs. ¿Por qué las cosas tienen masa? La Física Clásica no proporciona una respuesta a esta pregunta. De hecho, para más complicaciones, hay varias nociones de masa (sin entrar en el mundo de la relatividad especial) que aunque equivalentes (lo sabemos desde Galileo y Einstein se basó en ello para formular su teoría relativista gravitacional) no dan respuesta alguna a la pregunta más acuciante que se hace un físico teórico ¿por qué hay masa en el Universo?

El campo de Higgs es, en otras muchas cosas, un portal hacia la respuesta definitiva del origen de la masa. En términos de jerga, muchos esperamos que el estudio del campo de Higgs proporcione la guía definitiva hacia el mecanismo fundamental de generación de masas. Incluso más, esperamos que proporcione pistas sobre la naturaleza de la hasta ahora esquiva Materia Oscura que aparentemente hay rodeando a las galaxias y cúmulos de galaxias, y en menor medida de la extraña Energía Oscura que acelera la expansión del Cosmos. Dicha materia oscura es necesaria en aras de explicar las curvas de rotación galácticas, esto es, la representación gráfica de la velocidad de rotación de los objetos de la galaxia en función de la distancia al centro de la misma. Y la llamada Energía Oscura, un ingenio introducido por primera vez por Einstein al terminar su Relatividad General y elucubrar sus consecuencias en Cosmología, es necesaria para explicar cómo es posible que aparentemente haya estrellas más viejas que el propio Universo. Desde luego, el bosón de Higgs y sus propiedades, son esenciales para entender el siguiente nivel de subestructura en los rincones más recónditos del átomo.

El presupuesto de materia y energía del Universo está plasmado en el siguiente “queso”:

El Modelo Estándar explica solamente un mísero 4 por ciento de todo eso: la materia luminosa y no luminosa. El resto, siendo bruscos, ¡no tenemos ni puñetera idea de lo que es! Para ser precisos, no sabemos cuáles de las teorías que hemos diseñado en los últimos 40 años podría explicarlo, aunque hay candidatas: teorías supersimétricas como supercuerdas y la popular teoría M de la que nadie sabe nada, teorías GUT, preones y tecnicolor (no, a pesar de lo que hayáis escuchado, no están muertas dichas teorías, del todo),... Pero sabemos algo también por las llamadas medidas de precisión: que el Higgs si existía, como así ha sido demostrado, era relativamente liviano. Es posible en principio que el Modelo Estándar sea consistente a una energía arbitraria, incluso hasta la enorme energía de Planck en la que los efectos de la gravedad cuántica se hacen importantes, pero muchos sospechamos que el Modelo Estándar se volverá inconsistente antes. Sobre todo por los misteriosos neutrinos y por otras pequeñas anomalías que asoman la cabeza en diversos experimentos que se están llevando a cabo en diversos laboratorios.

¿Qué sabemos hoy del bosón de Higgs? Pues desde hace un mes algo más que hace 50 años. Sabemos ahora que su masa, algo para lo que el Modelo Estándar no daba predicción alguna es de unos 125-126 GeV/c². También sabemos que es un bosón porque se desintegra en dos fotones. Luego en principio el espín podría ser cero (el que dice el Modelo Estándar) aunque también podría ser dos. También sabemos en qué tipo de partículas se desintegra un bosón de Higgs del Modelo Estándar, por lo que midiendo cómo se desintegra el bosón de Higgs que hemos encontrado, podemos saber si el Modelo Estándar es correcto o debemos hallar/esperar en compañía del Higgs nuevas y más exóticas partículas y fuerzas hasta ahora desconocidas. No puede expresarse con palabras lo emocionante que es esto para un físico teórico como el que esto escribe, pero lo es mucho.

Así, en los próximos meses se medirá con precisión el espín de esta nueva partícula recién descubierta, sus productos de desintegración (esencial para saber el tipo de Nueva Física que nos espera en los próximos años), y otras propiedades más exóticas como la carga (todo apunta a que es neutra, aunque hay modelos que poseen Higgses con carga eléctrica que acompañan al Higgs neutro a energías superiores), o la paridad (propiedad de reflexión en un espejo) y la denominada anchura (algo que mide su inestabilidad y “dispersión” en energía, dado que el bosón de Higgs es en principio una partícula inestable). Los próximos meses serán cruciales para determinar el tipo de bosón de Higgs que es, y lo que está por venir es aún mucho más interesante: ¿es el Higgs una partícula realmente elemental o está compuesto?¿hay más tipos de partículas de Higgs a alta energía? Se ha retrasado el cierre por actualización del LHC para que pueda estudiarse meticulosamente las propiedades de esta partícula de forma que se responda a todas o casi todas de las preguntas anteriores.

Yo seguí la conferencia del 4 de julio en mi casa. La esperaba desde tiempos en que era un simple estudiante de Licenciatura de Física, finales de los 90 del siglo pasado, y principios de siglo XXI. Recuerdo cómo se esperó a cerrar LEP y se funcionó meses por encima de sus posibilidades por la carrera que había con el Tevatron por encontrar a la partícula en la región de baja masa. También he seguido el tema de cerca pues en el periodo 2009-2011 he obtenido un Grado Máster en Física Teórica, dado lo que adoro a las partículas elementales y la Cosmología. Finalmente, y tras varios retrasos y problemas, LHC ha triunfado. Sin embargo, como varios de los asistentes in situ a la mencionada conferencia, es un triunfo del CERN, de la Ciencia a nivel internacional, y de toda la Humanidad. No sólo de la Ciencia europea, pese a que la sana competencia es necesaria para estimular el conocimiento científico y el progreso en las ciencias experimentales, es un éxito global. Que nadie lo olvide. La unión hace la fuerza. En tiempos de crisis donde en muchos lugares cada uno va a lo suyo, nos iría a todos mucho mejor si colaborásemos como colaboran los científicos, independientemente de su nacionalidad, raza, religión u origen, en experimentos internacionales como el LHC, ...o la misión Curiosity.

A parte de gustarme la Física y las Matemáticas, adoro la Ciencia en general y el estudio del Universo. También me interesa el tema de la exploración espacial, así que dejadme hablar también de la segunda gran noticia científica de este verano, la llegada a Marte de Curiosity, también llamado MSL (Mars Science Laboratory). Es un cacharro como éste:

Aquí una foto de las 17 cámaras con las que va equipado:

Con una masa cerca de 900 kg, impulsado por energía nuclear (un pequeño reactor termoeléctrico de plutonio, y como muchos otros exploradores o la misión New Horizons a Plutón, que llegará en unos años al planeta enano más cercano de nuestro Sistema Solar, con ánimo de durar),  y con probablemente el método de amartizaje más espectacular que se haya diseñado, supimos este lunes 6 de agosto, que llegó a la superficie de Marte con éxito. La batería nuclear funciona con un radioisótopo que durará entre 2 y 15 años, dependiendo del uso y funcionamiento de sus sistemas. Si fuera un marciano, estaría realmente enojado: ¡ya están los humanos mandando más basura/trastos para estudiar nuestro planeta!

Y tanto que sí. Comparando los trastos que hemos ido mandando, éste es el más grande:

Un éxito de la Ciencia y la Ingeniería de la NASA, y de los laboratorios Jet Propulsion del Caltech, es un instrumento y misión crucial para las futuras misiones tripuladas a Marte. Entre otras muchas cosas, lleva en sus instrumentos, un aparato para medir el nivel de radiación UV sobre la superficie de Marte, algo que se antoja básico si queremos mandar gente allí. Marte carece de campo magnético como el terrestre, su atmósfera es mucho más tenue que la terrestre y desconocemos hasta la fecha (Curiosity cambiará eso entre otras muchas cosas, estoy seguro) el tipo de radiación a la que un astronauta estaría expuesto allí. Tampoco olvidemos que la gravedad superficial en Marte es un tercio de la terrestre. Y eso significa que aunque la masa de un objeto es la misma aquí que allí, allí en Marte el peso, la fuerza con la que el planeta atrae un objeto, es un tercio del peso que tendría en la Tierra. 

¿Cuál es la misión fundamental del MSL(Mars Science Laboratory), del Curiosity? El objetivo esencial es muy simple: investigar si las condiciones para la vida y su preservación (específicamente  microbiana, pero también la vida en términos más generales) se ha producido o se produce en Marte, y si Marte es adecuado o no para albergar vida y preservarla en el futuro (importante para ir allí es saber si es sostenible la vida en superficie, en especial si colonizar Marte es algo que pongamos sobre la mesa es saber si se puede estar ahí, ¿no?). En particular, el Curiosity va fuertemente equipado con instrumentos para analizar las rocas y el suelo marciano con una precisión sin precedente, pero también el viento, la radiación ultravioleta, y otras cosas. Se encuentra al lado del cráter Gale, y pronto tendremos más fotos en alta calidad de allí. :-). Éste es el cráter Gale, donde está Curisity ahora:

¿Qué otros objetivos secundarios hay? El rover analizará muestras del suelo y perforará rocas, indagando sobre su composición. En las rocas y el suelo de Marte está escrito una marca de la geología y el clima del planeta, así que su estudio es algo muy interesante. La formación, estructura y composición química de las rocas está en correspondencia directa con dicho clima y geología. Asimismo, el laboratorio Curiosity, intentará detectar los bloques elementales de la vida conocida (basada en compuestos del carbono) sobre la superficie de Marte, y nos ayudará a entender el pasado geológico y climático de Marte, incluso el microbiano, en su pasado.

En términos de Ingeniería, Curiosity también tiene unos objetivos bastante destacables:

1º. Demostrar la capacidad de aterrizar un pesado y grande rover sobre la superficie. (¡Ya logrado desde este lunes! Es un Seat 600 moderno puesto en Marte, ¿no creéis?). Este conocimiento es también básico para que una futura misión similar coleccione rocas marcianas y muestras del suelo, y las envíe de vuelta a la Tierra para un análisis científico).

2º. Demostrar la capacidad de aterrizar de forma precisa en un área predeterminada circular de unos 20 km de diámetro. (Ya logrado)

3º. Demostrar la movilidad a largo alcance de un vehículo robótico sobre el planeta rojo, recorriendo entre 5 y 20 km mientras recolecta muestras y hace diversos estudios sobre el planeta. (Por lograr).

Podéis saber más sobre la misión aquí, de donde obtuve la información y las fotos:        http://mars.jpl.nasa.gov/msl/

¿Os dáis cuenta que tenemos fotos de un lugar que no ha pisado ningún humano? No es como cuando en otros siglos se contaban de boca a boca historias sobre China, las Indias, o las Américas,... Esto es algo muy diferente.

Para terminar, alguna persona podría preguntar si merece la pena gastarse miles de millones de dólares o euros en un acelerador de protones a 14 TeV ( 7 TeV por haz) o en un rover que nos da información sobre un planeta que se encuentra a 14 minutos-luz de nosotros. Yo creo que sí, la Humanidad necesita avanzar y mejorar. No puede hacerlo mirando hacia atrás, sino hacia adelante. Los recursos de este planeta son finitos, y al ritmo actual, no durarán más que unos siglos incluso con tecnologías de reciclaje adecuadas. El futuro de la Humanidad está en el Espacio. No creo que sea necesario citar a S.W. Hawking para entenderlo, los recursos de nuestro planeta, o nuestro propio Sol acabarán algún día. Y para librarnos de las ligaduras planetarias son necesarios estudios profundos. Nuestra Física actual es de momento demasiado primitiva para tener naves espaciales que nos lleven a Marte o a cualquier otro cuerpo del Sistema Solar ¡no ya de otras estrellas en nuestra Galaxia o más allá! Por eso, investigar en Física Fundamental con los aceleradores es esencial. La energía nuclear que propulsa muchos ingenios actuales o que hace que tengamos energía para usar Internet proviene de centrales nucleares. Guste o no. De momento, los riesgos están muy por debajo de los beneficios, si descartamos locuras como Hiroshima, Nagasaki y las armas nucleares.

Y sobre Curiosity, ¿no pensáis que no hay nada más fascinante en este mundo como la curiosidad, por ejemplo, por saber si la vida sobre nuestro planeta es única o es posible más allá de nuestro entorno planetario? Con una tasa de entre 1-2 planetas por estrella en nuestra galaxia (más o menos típica en nuestro Universo Local cercano), como muestran las recientes búsquedas de planetas extrasolares (y es una estimación o número que puede crecer en el futuro), la pregunta de si existe vida en otros cuerpos de nuestro Sistema Solar es más importante todavía. Nos dará una idea mejor de lo que podemos encontrar más allá del Sistema Solar, donde hasta ahora no ha ido ninguna nave más que las Pioneer o las Voyager. ¿Existe vida fuera de la Tierra? ¿Y vida inteligente más allá de nuestro Sistema Solar? Son preguntas que aunque intuimos no tienen respuesta negativa, dependen de muchas cosas, y para acercarnos a responderlas Curiosity es un pequeño gran paso, como el que N. Armstrong puso en la Luna en 1969.

La curiosidad, en Ciencia, es lo que nos hace avanzar.

¡Que los bosones de Higgs os acompañen!

PS (I): La analogía del campo de Higgs más usada es la siguiente. En una habitación hay gente congregada (Higgs bosons), si pasa alguien famoso, le rodean y le hacen masivo y se mueve con más dificultad. El fotón, el gluón, o el gravitón son transparentes (o casi) al campo de Higgs y no tienen masa. El resto de partículas, sí.

PS (II): Prueba de que la Fuerza (el campo de Higgs) existe, perdonadme el punto friqui, son los parecidos asombrosos de Owi Wan Kenobi y Rolf Hauer (LOL), véanse dichas fotos con atención por favor:

He aquí Obi Wan: 

He aquí Rolf Hauer: