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¿Cómo se descubrió el Bosson de Higgs?

¿Cómo se descubrió el Bosson de Higgs? - Ciencia

Con motivo de que ya hace casi un mes del aniversario (4 de Julio de 2013) del descubrimiento del Bosón de Higgs, o como es comúnmente conocida, “La Partícula de Dios”, hablaremos de este tema controversial y muy poco conocido por la gente. Pero antes, debemos dar una pequeña introducción donde explico, por ejemplo, ¿qué es un bosón? O ¿qué es una partícula subatómica? O, ¿quién fue Peter Higgs?

La Física cuántica no es más que el estudio o la ciencia específica hacia las partículas cuyo tamaño y comportamientos difieren a las de un átomo común, vale acotar que existen un número infinito de estas, y su proceder influye tanto en nuestra cotidianidad como en el funcionamiento de una galaxia entera.

Una vez aclarado que estamos en el ámbito de la física de subpartículas, expliquemos lo que es un bosón o bosson en inglés; pues esta no es solo una partícula, sino un conjunto o grupo de estas, y se hacen llamar también “partículas elementales”, pues son los componentes más pequeños de todos los átomos. Aun así, debemos saber la división de estas partículas en aquellas que conforman la materia y las que aportan energía, es aquí donde debemos acotar las 4 fuerzas fundamentales (nuclear fuerte y débil, electromagnética y gravitatoria) de la que solo mencionaremos que nuestros amigos bosones son las partículas que unifican dichas fuerzas. La parte difícil de esta hipótesis surge cuando intentamos encontrar pruebas físicas de dicha partícula, pues solo se conocía mediante cálculos, es decir, era una partícula “virtual”.

Aquí entra nuestro honorable premio nobel, Peter Higgs. Físico británico que en Mayo de este año (2018) cumplió 89 años, aportador de otros grandes descubrimientos en la física cuántica, en el año 1969 postuló su hipótesis acerca del origen de la masa de partículas elementales, particularmente en los bosones W y Z (dos tipos de partículas encargadas de cambiar el sabor a otras partículas más grandes como los quarks). Éste llamado mecanismo de Higgs predice la existencia de una nueva partícula, el bosón de Higgs, que a menudo se describe como “la partícula más codiciada de la física moderna”. Tras el descubrimiento en el CERN de la partícula que lleva su nombre, en el año 2012, recibió el premio Nobel de física en 2013.

Habiendo hecho una introducción meramente somera al tema, entramos en materia, es decir, como fue que este gran físico, pudo comprobar la existencia de este bosón.

Una de las razones de la dificultad de la obtención de esta partícula es su tiempo de vida, que es de menos de un segundo, es entonces que debemos crearlas artificialmente con ayuda del “Gran Colisionador de Hadrones”, o por sus siglas en inglés, LHC, en medio de violentas colisiones, dejar que se desintegren, y utilizando complejos detectores, o sistemas de detección, medir los residuos de esta desintegración, para entonces reconstruir cual era la partícula original, y sus propiedades, así fue como el Bosón de Higgs fue detectado, pero no todo es color de rosas, pues aunque seamos capaces de crear una colisión perfecta de partículas, el resultado de esta puede ser cualquier cosa, como un electrón, otros bosones, o cualquier otra; es un proceso totalmente aleatorio, entramos pues, en las leyes cuánticas. Entonces, ¿Cómo hacemos para saber cuándo, o donde podemos encontrar un Bosón de Higgs?

Tenemos a mano una herramienta muy importante de nuestro lado, que son las Teorías Cuánticas de Campo, que nos dicen lo que ocurre cuando colisionan dos protones, y una de estas es la muy conocida en el mundo de partículas cuánticas llamada “Sección Eficaz Total en Colisiones Protón-Protón a Alta Energía (SETCPPAE)”o, en otras palabras, con qué probabilidad ocurren las partículas cuando chocan dos protones, y no es más que un gráfico donde se muestra en el eje de las ordenadas las probabilidades de obtención, y en el eje de las abscisas, la cantidad de energía usada, expresada en electronvoltio (símbolo eV) es una unidad de energía que representa la variación de energía cinética que experimenta un electrón al moverse desde un punto de potencial A hasta un punto de potencial B cuando la diferencia BA = B-A = 1 V, es decir, cuando la diferencia de potencial del campo eléctrico es de 1 voltio. Pero debido a la altísima cantidad de energía usada, el gráfico de la SETCPPAE se expresa en TeV (teraelectronvoltios). Aun así, obteniendo la energía necesaria en la colisión de dos protones, es muy improbable la obtención del Bosón de Higgs, pues por la simple naturaleza del proceso cuántico, tanto así como 1 Higgs por cada 10.000.000.000 de colisiones y literalmente tardaríamos decenas de años en producir esta colisión, aparte de que es necesario producir suficientes Higgs para poder obtener una data fiel de este.

Cada acelerador de partículas tiene una propiedad llamada “Luminosidad”, es decir, se tiene que conocer exactamente su probabilidad de obtención de partículas, dependiendo de sus componentes, junto con la energía a la cual produce las mismas. En síntesis, el colisionador debe procesar una cantidad descomunal de datos por milisegundos, la mayoría inútiles, y eliminados en tiempo real, es lo que se conoce como Sistema de Trigger. Pero a pesar de todas estas ventajas tecnológicas, existe el problema antes mencionado del tiempo de vida del Higgs, y que este se produce entre miles de millones de otras partículas.

Como mencionamos antes, el colisionador detectará los rastros dejados por la desintegración del Higgs, por ejemplo, 2 fotones. Pero otras partículas también se desintegrarán en 2 fotones, por ende, no puedo decir que, al encontrarlos, serían el producto de un Bosón de Higgs. Entonces hay un proceso de filtrado y escogimiento que aparte de fundamental, es uno de los procesos más meticulosos y tardíos en todo el mundo, y como pueden imaginar, esto no es suficiente, pues hay muchos procesos y sucesos que se parecen tanto al Bosón de Higgs como para descartarlos, es lo que se conoce como Fondo Irreducible.

La única forma es recopilar durante años, toda esta información, y representarla en datos limpios, y esperar, con mucha paciencia y mucha suerte, un pico, un número extraño, o un resultado diferente entre esta maraña inimaginable de datos; es lo que se conoce como Background, y exacto, aun así, no se sabría con exactitud cuál de estos es nuestro Bosón.

La pregunta que surge es sencillamente ¿Cuándo puedes confiar en estos datos? Pues es simplemente cuestión de convenio. Se declaró el descubrimiento del Bosón de Higgs cuando la probabilidad de que ese número extraño, ese pico, que sobresalía del Background, fuera debido a una fluctuación estadística, que debía ser exactamente de 1/3.000.000; esto se le conoce como “Los 5 Sigmas de Significancía Estadística (5σ)”.

En conclusión, para obtener el Bosón de Higgs fue necesario:

1.- Un colisionador de hadrones con la energía e instrumentos de detección suficientes para traer a la vida dicha partícula.

2.- Tiempo, suficiente para repetir muchísimas veces dicha colisión.

3.- Presupuesto inconmensurable para mover dicha energía y personal capacitado para manejo y análisis de datos (cerca de 3000 científicos alrededor del mundo).

4.- Por supuesto, a Peter Higgs.

Para finalizar, se le conoce como “La Partícula de Dios” no porque sea la partícula usada por Dios para crearnos, o jugar con ella, sino porque en 1988, el científico y premio Nobel de Física, León Lederman, publicó un libro acerca de ésta partícula llamado “The Goddamn Particle” o en español, La Maldita Partícula, debido a, como ya vimos, su esquivo carácter. El nombre Partícula de Dios se debió al “error” en la traducción del libro al español. Sin embargo, más bien parece un acto de autocensura o de conveniencia editorial para no herir susceptibilidades religiosas: el término goddamn suena blasfemo en inglés y por ello el cambio de título a otro más conveniente, desde el punto de vista de lo políticamente correcto en su más rancio sentido.

Y es así, como la obtención de esta ha sido un hito en la historia de la ciencia, y que, a pesar de la participación de grupos de investigadores y científicos, el premio se lo lleva el gran Peter Higgs, debido a su insistencia, perseverancia, hambre de conocimiento y sobre todo humanidad, a pesar de ser un reconocido ateo. Este descubrimiento quitó del camino una gran roca que obstaculizaba un gran camino en lo que se refiere a la física cuántica, que a pesar de ser un sendero muy grande aun para el hombre, nos demostró de lo que somos capaces, y que nuestro universo está lleno de descubrimientos esperando a ser desenmascarados por nosotros.

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Acerca del autor

VictorERL

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