La partícula en el fin del universo

Aprende sobre la extraña tela que mantiene unido nuestro universo.

En los últimos cinco años, es posible que haya escuchado noticias sobre el impresionante Gran Colisionador de Hadrones, desarrollado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) cerca de Ginebra.

Pero, ¿qué es exactamente? ¿Y por qué es importante, no solo para los físicos, sino para el mundo?

Para responder a estas preguntas, deberá comprender algunos de los principios fundamentales que definen cómo funciona nuestro universo, así como aprender los conceptos básicos de la física subatómica.

Y eso es exactamente lo que aprenderá en La Partícula en el Fin de el Universo .

Te sumergirás en el extraño mundo de las interacciones atómicas, hasta las partículas más pequeñas. También comprenderá por qué estas partículas son importantes, tanto en cómo dan forma a nuestro universo como en cómo el descubrimiento de estas partículas ha avanzado en la civilización.

Con estos conceptos básicos, estarás listo para seguir al equipo científico del CERN en su reciente descubrimiento histórico de una de las partículas fundamentales más escurridizas: el bosón de Higgs.

En este resumen, aprenderá

• por qué Angelina Jolie nunca llegará al buffet debido a su “misa” social;

 

• por qué algunos quarks son “encantadores” y otros “extraños”; y

 

• cómo los científicos pudieron demostrar la existencia del escurridizo bosón de Higgs.

 

Los átomos, los componentes básicos de la materia ordinaria, están formados por protones, neutrones y electrones.

Desde el principio, nos hemos preguntado de qué están hechos exactamente nuestros cuerpos. La ciencia moderna ha revelado que todo, incluido usted, se compone de pequeñas partículas o bloques de construcción llamados átomos .

Y estos bloques de construcción están compuestos de partículas subatómicas más pequeñas: protones, neutrones y electrones .

Cada átomo tiene un número único de protones en su núcleo: su número atómico . Este número puede usarse para identificar el átomo en la tabla periódica, publicada por primera vez por Dmitri Mendeleev en 1869.

Por ejemplo, el átomo Helio tiene dos protones en su núcleo, y por lo tanto se identifica con el número atómico “dos”. Plutonio , por otro lado, tiene 94 protones (un átomo “más pesado”) y se puede encontrar en la tabla en el número 94.

En 1913, Niels Bohr hizo una importante contribución a nuestra comprensión del átomo con su modelo atómico. Descubrió que los electrones “orbitan” alrededor del núcleo y sus protones y neutrones, al igual que la luna gira alrededor de la Tierra.

Los protones y los electrones difieren de dos maneras importantes: carga y peso. Los electrones tienen carga negativa y son relativamente ligeros en comparación con los protones, que tienen carga positiva y 1.840 veces más “pesados” que los electrones.

Un átomo es la unidad más pequeña para ciertos elementos químicos. A veces, sin embargo, los átomos pueden unirse y formar lo que se llama una molécula . Muchas sustancias comunes, como el agua o el dióxido de carbono, son en realidad moléculas o una combinación específica de átomos unidos.

Por ejemplo, cuando dos átomos de hidrógeno se unen con un átomo de oxígeno, crean una molécula de agua. Puedes pensar en esto como la gota de agua más pequeña posible.

Sin embargo, por minúsculos que sean los átomos, los científicos pronto descubrieron un mundo aún más extraño y más pequeño dentro de los protones, neutrones y electrones.

En el siglo XX, los científicos descubrieron las diminutas partículas llamadas leptones y quarks.

Si los átomos son los bloques de construcción de la materia, ¿cuáles son los bloques de construcción de los átomos? Como resultado, los científicos han descubierto más, incluso partículas subatómicas más pequeñas.

¿Pero cómo descubrieron algo tan pequeño?

Todo comenzó cuando los científicos examinaron cómo se descomponen los neutrones. Cuando un neutrón “muere”, emite electrones. Sin embargo, cuando los científicos examinaron estos electrones, descubrieron que la energía liberada no coincidía con la energía del neutrón original.

De hecho, encontraron menos energía, lo que significa que algunos habían desaparecido de alguna manera. ¿Pero a dónde se fue esa otra energía?

En 1930, el científico suizo Wolfgang Pauli encontró la respuesta. Además de emitir electrones, los neutrones en descomposición también arrojan otra partícula diminuta llamada neutrino .

Los neutrinos y los electrones pertenecen a una familia de partículas de luz llamadas leptones. Una vez que miraron más de cerca, los científicos comenzaron a descubrir una miríada de leptones diferentes.

En 1936, cuando los físicos estadounidenses Carl Anderson y Seth Neddermeyer estudiaron los rayos cósmicos, descubrieron otro leptón: el muón .

Pero no se detuvo allí. En 1962, Leon Lederman descubrió que, de hecho, había dos tipos de neutrinos: uno que interactúa con electrones (el llamado neutrino electrónico) y otro que interactúa con muones (el llamado neutrino muón).

Y luego, en la década de 1970, se descubrió la partícula tau junto con un neutrino tau correspondiente, lo que elevó la familia de leptones a un total de seis partículas.

Junto con estos leptones, los científicos descubrieron también partículas subatómicas más pesadas: quarks .

Al igual que los leptones, hay seis tipos diferentes de quarks con nombres extraños: quarks arriba y abajo, quarks encantadores y extraños, y quarks superiores e inferiores.

Estos quarks se clasifican por su carga eléctrica: arriba, encanto y quarks superiores están todos cargados positivamente, mientras que abajo, los quarks extraños e inferiores están cargados negativamente.

Puedes pensar en los quarks como los bloques de construcción de protones y neutrones: así como cada átomo en la tabla periódica tiene un número específico de protones, cada protón consiste en un conjunto específico de quarks.

Nuestro universo se mantiene unido por la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles.

¿Qué pasaría si saltas por una ventana? ¿Te volarías hacia el horizonte o te deslizarías hacia abajo como una hoja?

Bueno, no. En cambio, golpeaste el suelo con un ruido sordo .

Esto se debe a la gravedad , un fenómeno iluminado por primera vez por Isaac Newton en el siglo XVII.

La gravedad es la más conocida de las cuatro fuerzas fundamentales en el universo. Las otras fuerzas menos conocidas son la fuerza electromagnética, junto con las fuerzas nucleares fuertes y débiles.

Si alguna vez usó un imán para asegurar su lista de tareas en el refrigerador, entonces fue testigo del electromagnetismo . Un polo del imán atrae al polo opuesto de otro imán; polos similares se repelen entre sí.

La fuerza electromagnética es importante porque es responsable de la estructura del átomo. Los electrones cargados negativamente son atraídos al núcleo cargado positivamente de un átomo, dando así al átomo su forma.

La siguiente fuerza, la fuerte fuerza , interactúa con los quarks, asegurando la estabilidad dentro del átomo, y es la razón por la cual los átomos existen.

Considere por un momento que los muchos protones en el núcleo de un átomo están todos cargados positivamente. La fuerza electromagnética sugiere que estos protones deberían repelerse entre sí, desgarrando el núcleo. Y sin embargo no lo hacen.

Dentro de cada protón hay tres quarks, todos gobernados y unidos por el poder de la fuerza nuclear fuerte. De hecho, la fuerza nuclear fuerte es alrededor de 137 veces más fuerte que el electromagnetismo y, por lo tanto, es capaz de mantener unido el núcleo del átomo.

La última fuerza fundamental es la débil fuerza , que es responsable de la desintegración radiactiva y la fusión nuclear. Esta es la fuerza que hace que el sol se queme al fusionar átomos de hidrógeno en helio, lo que resulta en una gran liberación de energía, que luego se transporta a través del sistema solar a través de fotones.

Estas fuerzas son críticas para nuestra comprensión de nuestro universo, y de hecho para nuestro universo mismo. Sin ellos, simplemente no existiríamos.

Las interacciones con el campo de Higgs le dan a cada partícula su masa.

¿Alguna vez has pensado en por qué algunas cosas son más pesadas que otras? La respuesta está en comprender masa .

Puedes pensar en la masa como la resistencia que sientes cuando empujas contra un objeto. Por ejemplo, empujar un automóvil cuesta arriba es mucho más difícil que empujar una bicicleta. La diferencia esencial es que el automóvil tiene más masa.

Pero, ¿de dónde viene exactamente esta masa? Se deriva de las interacciones de partículas dentro del campo Higgs .

Recordemos lo que aprendimos antes, que los protones tienen más masa que sus contrapartes, los electrones. La mayor masa de un protón indica una fuerte interacción con el campo de Higgs, mientras que los electrones, que tienen menos masa, tienen una interacción más débil con el campo de Higgs.

De hecho, el campo de Higgs es necesario para que la masa exista. Sin ella, todas las partículas tendrían una masa cero y la vida no sería posible. Una declaración “pesada”, pero ¿qué significa?

La mecánica cuántica nos muestra que las partículas pesadas, es decir, aquellas que tienen mucha masa, pueden exprimirse en pequeñas regiones en el espacio, mientras que las partículas más ligeras ocupan más espacio. Reducir la masa de una partícula a cero significaría que los átomos serían demasiado grandes para interactuar y mantener la vida.

El campo de Higgs, así como las cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo, fuerza nuclear fuerte y débil) están formadas por partículas aún más pequeñas, llamadas bosones .

Al igual que una gotita de agua se compone de innumerables moléculas de agua (formadas por innumerables combinaciones de hidrógeno y oxígeno), las fuerzas fundamentales están formadas por innumerables bosones.

Los bosones de la gravedad, por ejemplo, se llaman gravitones. Los que crean electromagnetismo se llaman fotones.

El campo Higgs no es una excepción, y tiene su propio bosón: el bosón Higgs . Este bosón juega un papel muy importante en la composición de nuestro universo.

A diferencia de las cuatro fuerzas fundamentales, que no ejercen influencia en el espacio vacío donde no existe nada, el campo de Higgs impregna todo el universo, incluido el espacio vacío, lo que significa que el bosón de Higgs está esencialmente en todas partes.

Piensa en el campo de Higgs como un mar de invitados a la fiesta que te impide llegar al buffet.

Toda esta charla sobre quarks, bosones y muones puede hacerte sentir un poco abrumado. La física de partículas no es un tema fácil, y tenga en cuenta que algunas de las personas más talentosas del mundo pasan toda su vida descifrando cómo funcionan todos estos elementos juntos.

Para simplificar, volvamos al concepto del campo de Higgs y consideremos dos analogías.

Imagina, por ejemplo, que estás en una fiesta donde una de las invitadas es Angelina Jolie. Tú y Angelina deciden simultáneamente tomar un aperitivo en el buffet. ¿Quién va a llegar primero al plato de camarones?

Probablemente, serás tú. Angelina Jolie probablemente será detenida en el camino por varios invitados que quieran hablar con ella. Por otro lado, es menos probable que las personas intenten obtener su autógrafo . (A menos que sea Brad Pitt, por ejemplo)

Si Angelina Jolie fuera una partícula, se podría decir que fue más masiva que tú, debido a sus fuertes interacciones con los invitados a la fiesta, que representan el campo de Higgs.

O piénselo de otra manera. Imagínese que usted y un pez están nadando en el mar. ¿Quién crees que es el mejor nadador?

Obviamente, probablemente eres menos ágil que tu amigo sospechoso. Las escamas de los peces están aerodinámicas y se adaptan perfectamente al agua, por lo que los peces pueden deslizarse por el mar con un mínimo esfuerzo.

Tu piel, por otro lado, te pone en una gran desventaja. La superficie de nuestra piel crea mucha más fricción con el agua que las escamas. Puedes intentarlo, pero no nadarás con tanta gracia como el pez.

En este ejemplo, el mar es el campo de Higgs: en lugar de deslizarse fácilmente a el agua, el agua te frena, esencialmente dándote “masa”.

Ahora que sabes qué es una partícula y cómo funciona, estás listo para comenzar la búsqueda del escurridizo bosón de Higgs.

Los científicos construyeron el enorme Gran Colisionador de Hadrones para aprender más sobre las partículas diminutas.

Cuando se encendió en septiembre de 2008, el Gran Colisionador de Hadrones en las afueras de Ginebra ya había generado bastante revuelo no solo en la comunidad científica sino en todo el mundo.

Pero, ¿qué hace esta máquina exactamente?

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un acelerador de partículas , aplastando partículas entre sí a velocidades asombrosas, brindando a los científicos la oportunidad de observar el choque y medir los resultados. Este tipo de experimentos son vitales para nuestra comprensión de cómo comenzó y se construyó el universo.

El LHC, sin embargo, no fue el primer proyecto de este tipo. Otro acelerador de partículas, el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), en California, jugó un papel importante en nuestro descubrimiento del tau lepton y el quark charm.

¡Con dos millas de largo, el SLAC es la tercera estructura más larga del mundo, después de la Gran Muralla China y el Fuerte Ranikot en Pakistán! Sin embargo, perdió su lugar como el acelerador de partículas más poderoso del mundo con la inauguración del LHC.

El LHC tiene forma de anillo y funciona haciendo circular algunos protones en sentido horario y otros en sentido antihorario. Una vez que los protones alcanzan la velocidad deseada, se chocan entre sí.

Para evitar que los protones se estrellen demasiado pronto, los supermagnetos increíblemente fuertes los mantienen a lo largo de un camino. Los superimanes, a su vez, funcionan con corrientes eléctricas masivas.

La corriente eléctrica necesaria se transmite a través de un cable eléctrico que, al transmitir tanta potencia, está en grave peligro de derretirse. Para mantener los cables fríos, el LHC utiliza helio líquido, enfriado a -456 ° F (-235.6 ° C).

A pesar de estas precauciones, incluso el más mínimo problema del sistema puede hacer que el helio se caliente, lo que resulta en un “enfriamiento”. Esto sucedió en los primeros días del colisionador, cuando se liberaron seis toneladas de helio líquido en el túnel de aceleración. resultado de una conexión eléctrica defectuosa.

Afortunadamente, nadie resultó herido.

Teniendo en cuenta todos los peligros y complejidades de dicho sistema, ¿qué esperan obtener los científicos exactamente de la construcción de una máquina gigante que destruya átomos en primer lugar?

Al chocar partículas entre sí, los científicos esperaban encontrar pruebas de que el bosón de Higgs existe.

¿Qué sucede cuando chocan dos autos? En el choque, las partes del automóvil (tornillos, fragmentos de vidrio, piezas de plástico) se arrojan, revelando material que generalmente se oculta debajo del marco del automóvil.

Este ejemplo ilustra lo que buscan los científicos cuando aplastan partículas en el LHC. La esperanza es que, en lugar de tornillos y fragmentos de vidrio, la colisión de dos protones podría revelar un bosón de Higgs.

¿Pero cómo?

En este punto de nuestra historia, el bosón de Higgs existe solo en teoría. Ningún científico había podido verificar su existencia por el momento.

Para complicar aún más la búsqueda del bosón de Higgs es su corta “vida útil”. Incluso si el LHC generara uno, solo sobreviviría durante una billonésima parte de una billonésima de segundo, un tiempo demasiado corto para los detectores para atraparlo.

Los científicos del LHC esperaban encontrar evidencia del bosón de Higgs buscando partículas que se arrojan a medida que el bosón de Higgs se descompone.

Para hacer esto, diseñaron dos grandes experimentos: uno llamado CMS y otro llamado ATLAS. Ambos experimentos buscaban evidencia del bosón de Higgs, pero incorporaron diferentes mecanismos de detección para minimizar la posibilidad de resultados sesgados basados ​​en errores anormales.

Dentro de cada mecanismo de detección, los científicos crearon capas especializadas para pulir partículas específicas, con la esperanza de que algunas de esas partículas pudieran sugerir la presencia del escurridizo bosón de Higgs.

La primera capa especializada se llama detector interno y registra las rutas de las partículas emergentes con la mayor precisión posible.

Las siguientes capas son dos calorímetros, responsables de medir la energía. El primero, el calorímetro electromagnético, es capaz de capturar fotones y electrones, mientras que el segundo, el calorímetro de hadrones, captura partículas más pesadas, como los neutrones y los quarks. La última capa, el detector de muones, atrapa los muones.

Una vez que todo el equipo técnico fue construido y listo para funcionar, los científicos comenzaron el minucioso proceso de buscar el bosón de Higgs.

Los científicos del Gran Colisionador de Hadrones finalmente descubrieron el escurridizo bosón de Higgs en 2012.

Una vez que el Gran Colisionador de Hadrones realizó estos innovadores experimentos, los científicos finalmente pudieron comenzar su búsqueda de evidencia del bosón de Higgs. No fue fácil al principio.

Para verificar si realmente se había descubierto el bosón de Higgs, los científicos primero necesitaban examinar una gran cantidad de análisis estadísticos de los experimentos.

Para hacer esto, examinaron los datos y se preguntaron: “¿Qué posibilidades hay de que todas las partículas que hemos detectado se hayan generado sin la descomposición de un bosón de Higgs?”

Los científicos utilizaron un proceso llamado falsificación , en el que realmente intentas refutar tu propia hipótesis. Esta es una parte fundamental del método científico, y es muy superior a solo tratar de demostrar algo afirmativamente.

Por ejemplo, imagina que solo has visto cisnes blancos. Si nunca ve un cisne que no sea blanco, la hipótesis “todos los cisnes son blancos” naturalmente parecerá cierta.

Sin embargo, un día ves un cisne negro con tus propios ojos. Su hipótesis ha sido refutada, ¡y ahora sabe por con certeza que no todos los cisnes son blancos!

En su búsqueda del bosón de Higgs, los científicos comenzaron con una hipótesis que podían falsificar determinando qué partículas no fueron creadas por un bosón de Higgs en descomposición. Después de probar y analizar, finalmente se sintieron cómodos “refutando” su hipótesis y declarando la partícula encontrada.

Este descubrimiento había tardado mucho en llegar. De hecho, ya en diciembre de 2011, los dos equipos del proyecto anunciaron que habían encontrado evidencia de la existencia del bosón de Higgs, pero los datos eran insuficientes para reclamar un descubrimiento real.

Después de años de pruebas, y más de 50 años después de que el bosón de Higgs fue teorizado por primera vez, los equipos de LHC finalmente tuvieron la evidencia que necesitaban para anunciar que el bosón de Higgs fue encontrado el 4 de julio de 2012.

Pero ahora nos queda una pregunta más complicada: ¿qué podemos hacer con el descubrimiento del bosón de Higgs?

El descubrimiento del bosón de Higgs puede abrir nuevas puertas tanto en ciencia como en tecnología.

Quizás te estés preguntando, “¿Cuál fue el punto de todo esto? ¿Por qué los científicos dedicaron tanto tiempo y dinero a buscar el bosón de Higgs? ”

Es importante destacar que el descubrimiento del bosón de Higgs puede ayudarnos a comprender mejor algunos de los misterios más profundos del universo.

Todas las partículas y fuerzas descritas en los capítulos anteriores explican diferentes partes de lo que los físicos llaman el modelo , que ayuda a explicar las interacciones en la “materia ordinaria” (leptones y quarks), así como los bosones (las cuatro fuerzas fundamentales y el bosón de Higgs).

Sin embargo, cuando los científicos calculan la cantidad total de materia en el universo y la cantidad total de “materia ordinaria”, encuentran que estos números difieren, lo que sugiere la existencia de otro tipo de materia: oscuro [ 19459005] materia .

Una forma en que el bosón de Higgs podría ayudarnos a detectar la materia oscura es midiendo si la materia se genera a medida que las partículas se descomponen. Sin embargo, los científicos primero necesitarían desarrollar instrumentos que pudieran detectar la materia oscura antes de que se pudieran realizar tales mediciones.

Además, el descubrimiento del bosón de Higgs podría servir como base para la nueva tecnología. Si bien estas aplicaciones pueden no ser obvias al principio, la historia ha demostrado que sí serán relevantes.

Considere la teoría general de la relatividad de Einstein. Aunque no es inmediatamente obvio, su teoría es útil para la tecnología GPS que puede tener en su teléfono inteligente. Su teléfono se comunica con satélites en órbita, y sincronizar estas señales ayuda a determinar su posición en el suelo.

Sin embargo, para que esto funcione, primero debes entender que los relojes en órbita funcionan un poco más rápido que los de la Tierra, un hecho que sabemos gracias a la teoría de Einstein.

¿Qué nos revelará el bosón de Higgs? Las innumerables posibilidades aún están por descubrir. Sólo el tiempo dirá.

Resumen final

El mensaje clave en este libro:

El descubrimiento de el Higgs bosón representa [ 19459012] un gran salto adelante en nuestro comprensión [19459012 ] de el universo. completa el [estándar modelo ” de partículas física, y ofertas nosotros nuevas formas para creativamente enfoque algunos de el preguntas más profundas sobre cómo nuestro universo funciona.

Sugerido más lectura: A Universo [1945912] [1945912] ] de Nada por Lawrence M. [ 19459011] Krauss

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