El Sistema Solar – Saturno (IV) | El Tamiz

El Sistema Solar – Saturno (IV)

Puedes suscribirte a El Tamiz a través de Twitter (@ElTamiz) por correo electrónico o añadiendo nuestra RSS a tu agregador de noticias. ¡Bienvenido!

En la serie El Sistema Solar seguimos recorriendo, con paso lento pero seguro, los anillos de Saturno –si no has leído las anteriores entregas dedicadas a este gigante, mejor empiezas desde el principio–, y hoy nos dedicaremos a explorar los anillos exteriores. En la última entrada hicimos una pausa en nuestro viaje en el borde exterior del anillo A, que termina bruscamente con ladivisión de Roche:
División de Roche
División de Roche (modificada a partir de NASA/JPL/Space Science Institute).
Para poner esto en perspectiva y ayudarte a recordar dónde estamos de verdad, echa un ojo a la siguiente imagen en la que aparece todo lo que hemos visto hasta ahora. ¡Ojo! Es un monstruo de 8768×1059 píxeles y 1,9 MB, pero recorriéndola puedes hacerte una idea de dónde nos encontramos en nuestro viaje según abandonamos el anillo A y penetramos en la división de Roche:anillos.png.
Los anillos principales terminan allí: como puedes ver en la imagen, el siguiente anillo (el F) es muchísimo más tenue. Sin embargo, esto no quiere decir, ni mucho menos, que la diversión se acabe con el borde del anillo A. La división de Roche –así llamada en honor al astrónomo francés Édouard Roche– tiene unos cuatro mil kilómetros de ancho y alberga en su interior una pequeña luna de curiosa forma: Atlas.
Este pequeño satélite es demasiado minúsculo como para ser visto desde la Tierra. Fue descubierto en 1980 a partir de imágenes obtenidas por las Voyager. Durante un tiempo se pensó que podía ser una luna pastora del anillo A, y que el borde exterior de ese anillo había sido causado por Atlas “limpiando” las partículas de hielo del anillo, pero hoy en día sabemos, como dijimos en el artículo anterior, que el extremo del anillo A se debe a una resonancia orbital con las lunas Jano y Epimeteo (que comparten órbita, ya llegaremos a ellas).
Atlas en la división de Roche
Atlas en la división de Roche (NASA).
Se trata de un satélite de unos 6,6·1015 kg y forma muy irregular. De hecho, es su peculiar forma la que hace a Atlas interesante. Originalmente se trataba, seguramente, de un objeto con forma similar a la de cualquier asteroide. Sin embargo, como sucedía con divisiones anteriores, la división de Roche no está vacía. Se trata simplemente de una región en la que la densidad de partículas es muy inferior a la de los anillos A y F que la limitan, pero hay un tenue velo de partículas heladas orbitando Saturno a lo largo de toda la división. Como sucedía antes, estas partículas forman una “hoja” muy, muy fina en comparación con su anchura total.
Pero la órbita de Atlas es irregular, pues está perturbada por la fuerza gravitatoria ejercida por otras lunas, como Pandora y Prometeo –paciencia, que a ellas llegaremos también–. De modo que Atlas no realiza una órbita perfecta y ordenada, sino que va y viene según gira alrededor de Saturno: se acerca al anillo A, luego se aleja hacia el anillo F, y con todo este jaleo “barre” una franja de unos 600 km de ancho. Una franja llena de partículas de hielo agrupadas en una hoja más fina aún que el tamaño del propio Atlas.
En consecuencia, Atlas ha ido limpiando esa hoja de partículas heladas, que se han ido agregando a la luna original: como casi todas se encuentran más o menos en el ecuador de la luna, ésta ha ido “engordando” en el medio según ha ido ganando más y más hielo, y el resultado es una especie de platillo volante con el núcleo original de la luna rodeado por una especie de flotador de hielo: unos 20 km de alto por unos 40 km de diámetro del flotador. La densidad de la luna, al ser una agregación bastante frágil de partículas heladas, es menos de la mitad que la del agua.
Atlas
Atlas, fotografiado por Cassini en vistas polar y ecuatorial (NASA).
Sin embargo, el pequeño tamaño de Atlas y su ínfimo tirón gravitatorio no puede mantener cohesionada una gran cantidad de hielo; ha acanzado seguramente el tamaño máximo de flotador que puede sostener. Pero claro, como sigue barriendo partículas de la división que luego pierde, va dejando una especie de rastro de partículas heladas tras ella, como si fuera recopilando trozos de una gran extensión para luego soltarlos a lo largo de su camino cual migas de pan. En consecuencia, hay un finísimo y tenue anillo en la órbita de Atlas, aunque las partículas no permanecen allí durante mucho tiempo, claro.
Al final de la división de Roche, como puedes ver en la imagen del principio, se encuentra el siguiente anillo saturniano: el anillo F. Se trata del anillo saturniano discreto más exterior; con esto me refiero a que otros anillos más lejanos no tienen un espesor muy definido, sino que se extienden de forma más o menos borrosa en el espacio, mientras que los límites del anillo F están muy bien definidos, lo mismo que los de todos los anillos que hemos visto hasta ahora excepto el anillo D –el más interior, que se desvanecía gradualmente al acercarnos a las nubes saturnianas–.
Prometeo y Pandora
Pandora (izquierda) y Prometeo (derecha) con el anillo F entre ellas (NASA).
Aunque el anillo F muy fino, tenue y mucho menos impresionante que los anillos principales, es extraordinariamente interesante por lo cambiante que es: ondulaciones y perturbaciones constantes alteran el movimiento orbital de las partículas de hielo que lo componen, de modo que nunca es exactamente igual. Las culpables son las dos lunas pastoras que “encierran” al anillo F entre sus órbitas: Prometeo por el interior y Pandora por el exterior.
Estos pequeños satélites perturban a su paso la dinámica del anillo una y otra vez. Al tener órbitas más elípticas que el anillo, a veces se alejan, para luego acercarse a él, en algunos casos hasta rozarlo y robarle algunas partículas heladas. El resultado cada vez que estas lunas pastoras acarician el anillo F es de una belleza difícil de describir con palabras.
Anillo F y Prometeo
Anillo F con Prometeo a la izquierda, fotografiado por Cassini el 1 de junio de 2010 (NASA).
Prometeo, la luna pastora interior, fue descubierta, como tantos otros satélites menores de Saturno, a partir de imágenes tomadas por las Voyager en 1980, ya que es demasiado pequeña para ser vista desde la Tierra. Tiene forma alargada, como de patata, con unos 136x80x60 km de tamaño y una masa de tan sólo 1,6·1017. Aunque es unas veinticinco veces más masivo que Atlas, para que te hagas una idea de su pequeñez en términos astronómicos, la velocidad de escape sobre su superficie es tan pequeña que si dieras un salto con ganas no volverías a caer sobre la luna, sino que te convertirías en otro pequeño satélite de Saturno.
Prometeo
Prometeo, fotografiado por Cassini (NASA).
Al igual que el resto de cuerpos similares, Prometeo tiene una densidad bastante menor que la de el agua; como sucedía con Atlas, está formado fundamentalmente por hielo no demasiado compactado. A diferencia de él, carece de esa extraña forma de disco, no sé por qué: o bien la densidad de partículas heladas es menor en esta región de la división de Roche por su cercanía al anillo F, o bien por alguna otra razón.
Lo que hace especial a Prometeo, sin duda, es su interacción con el anillo F. Aunque la luna es muy pequeña y su campo gravitatorio levísimo, es suficiente para alterar el movimiento de las minúsculas partículas de hielo que forman el anillo. Según las partículas notan el pequeño tirón, impactan contra otras y forman una especie de ondas que siguen la órbita de Prometeo durante la parte de su órbita durante la que permanece cerca del anillo:

Su hermana, Pandora, no pasa tan cerca del anillo como Prometeo, de modo que no produce efectos tan impresionantes, aunque el anillo sí nota los tirones repetidos de esta otra luna. Es un objeto muy similar al anterior: en forma –que me perdonen astrónomos y lingüistas– claramente patatoide, con unos 104x81x64 km y una masa similar a la de Prometeo. Junto con su hermano, Pandora mantiene el anillo F bien definido, aunque algo alocado por sus pasos repetidos cerca de él.
Pandora
Pandora, fotografiada por Cassini (NASA).
Además, puesto que Pandora y Prometeo no tienen el mismo período orbital pero pasan relativamente cerca una de otra, ambas lunas se alteran la órbita respectivamente según se acercan y alejan. Cada 6,2 años se produce un suceso especial: coinciden la apoapsis de Prometeo –es decir, su máximo alejamiento de Saturno– y la periapsis de Pandora –su máximo acercamiento a Saturno–. En ese momento, las dos hermanas llegan prácticamente a tocarse: se acercan a tan sólo 1 400 km. Pandora tiene, además, una resonancia orbital 3:2 con Mimas –si no has seguido la serie hasta ahora, eso quiere decir que por cada tres órbitas completadas por Pandora, Mimas completa dos–, una luna muchísimo más grande de la que hablaremos en el futuro.
Más allá del fino anillo F, que termina a unos 140 500 km del centro de Saturno, nos encontramos de nuevo con una región prácticamente vacía de casi 9 000 km de ancho. De hecho, aunque sigamos hablando de otros anillos más allá del F, se trata de agrupaciones extremadamente tenues de partículas, sin comparación con los anillos interiores (incluso con el F o el D). No hablaría de ellos si no fuera porque algunos están asociados a fenómenos muy interesantes, y para explorar de paso algunas otras lunas interiores.
Finalmente, tras dejar atrás el anillo F y la órbita de Pandora y viajar por esa ancha región casi vacía, nos encontramos con otra pequeña familia de lunas interiores y un anillo asociado a ellas. Se trata de Jano y Epimeteo y su anillo. Pero lo especial de veras no son ni las dos lunas hermanas ni el anillo, que es apenas visible, sino su situación orbital y el proceso que realizan ambas cada cierto tiempo.
Anillo de Jano y Epimeteo
Anillo de Jano y Epimeteo (NASA).
El 15 de diciembre de 1966 Audouin Dollfus, un astrónomo francés, descubrió un satélite orbitando a unos 151 000 km del centro de Saturno. Aunque durante un par de décadas no tuvo nombre oficial, casi desde el principio se lo denominó informalmente Jano, por el dios romano de las puertas y las transiciones. Tan sólo tres días más tarde otro astrónomo, Richard Walker, volvió a observar Jano de nuevo, lo cual hubiera sido una excelente confirmación de su existencia si no fuera porque estaba en un lugar erróneo.
La nueva observación de Jano estaba a la distancia correcta de Saturno, desde luego, y la apariencia y características del satélite eran las mismas –dentro de la terrible resolución que era posible obtener con un telescopio terrestre–, ¡pero la luna no estaba en la posición orbital que debería tener! Como bien sabes si has seguido esta serie desde el principio, el período orbital de un satélite es perfectamente conocido si se sabe el radio de la órbita. Por lo tanto, era posible calcular la posición exacta de Jano en cualquier momento una vez conocida su posición inicial y su radio orbital… pero Jano se saltaba a la torera la mecánica newtoniana y aparecía en una posición de su órbita a la que no debería haber llegado aún.
Los astrónomos tardaron doce años en encontrar la respuesta; esto puede parecer mucho tiempo, pero recuerda que el tamaño de las lunas interiores de Saturno es minúsculo, y que los telescopios de la época apenas permitían discernirlas entre los anillos. En 1978 se postuló una posible explicación: no se trataba de una luna, sino de dos satélites diferentes. Dos satélites que no sólo compartían órbita, sino que tenían que parecerse lo suficiente entre sí como para que Dollfus y Walker pudieran confundir uno con el otro con sus telescopios. Cuando las Voyageralcanzaron el subsistema saturniano confirmaron esta hipótesis, y pronto tuvimos fotografías de ambas lunas juntas, lo que no dejaba lugar a dudas sobre su existencia.
Por lo tanto, lo que habían observado Walker y Dollfus no era la misma luna en dos sitios diferentes, sino dos lunas distintas: Jano y Epimeteo. La segunda fue nombrada en honor al hermano de Prometeo; lo ideal, de haber sabido estas cosas a tiempo, hubiera sido nombrar a Jano como Prometeo, de modo que los dos hermanos orbitasen juntos, ya que la luna que llamamos Prometeo (acabamos de hablar de ella, una de las dos lunas pastoras del anillo F) se encuentra en una órbita diferente. Pero bueno, la poesía astronómica no siempre es posible.
Jano
Jano, fotografiado por Cassini en 2010 (NASA).
Jano es el mayor de los dos satélites hermanos: tiene unos 203x185x152 km, y una masa de unos 1,9·1018 kg, es decir, unas diez veces más que Prometeo o Pandora. Además, aunque desde luego no es suficientemente grande como para que su propia gravedad le dé forma esférica, no es tan patatoide como aquellas dos. Al igual que ellas, su densidad es poco más de la mitad que la del agua, lo cual revela una composición, para variar, de hielo más o menos deslabazado.
El menor de los dos, Epimeteo, tiene algo menos de la mitad de masa que Jano, unos 5,3·1017 kg, y un tamaño de 130x114x106 km. Tanto su densidad como sus características superficiales son casi idénticas a las de su hermano mayor, y no resulta sorprendente que en las primeras observaciones desde la Tierra los astrónomos confundieran uno con el otro. ¿Quién se iba a imaginar que dos objetos tan parecidos acabasen en la misma órbita?
Jano y Prometeo
Jano y Prometeo (¡ojo, no Epimeteo!), por encima y por debajo del plano de los anillos respectivamente, en esta foto de Cassini (NASA).
Y es que es eso lo que hace especiales a estas dos lunas: son lunas co-orbitales, y la interacción entre ambas en su movimiento alrededor de Saturno produce un ciclo caótico y fascinante. Aunque no sea el objetivo de este artículo, si llevas tiempo con nosotros te recuerdo que la predicción del comportamiento de un sistema de tres cuerpos, como el formado por Saturno, Jano y Epimeteo, es tremendamente difícil de realizar con precisión y fue una de las semillas que daría origen a la teoría del caos.
Para poder describir el ciclo orbital realizado por estas dos Lunas necesitamos empezar en un momento concreto, por ejemplo, en septiembre de 2006. En ese momento, la órbita de Jano estaba muy ligeramente más cerca de Saturno que la de Epimeteo. Claro, aunque sean lunas co-orbitales, en una distancia de 151 000 km puede haber una diferencia ligera, ¿verdad? Pues en septiembre de 2006 Jano se encontraba unos 50 km más cerca de Saturno que su hermano. Se trata de una distancia minúscula en términos astronómicos –menos de la mitad de tamaño que cualquiera de las dos pequeñas lunas–, pero suficiente para provocar cambios drásticos en el comportamiento orbital de los dos satélites.
Una vez más, si llevas toda esta serie a la espalda, sabes que el período orbital de un objeto es tanto menor cuanto más pequeña es la órbita –se trata de una de las leyes de Kepler del movimiento planetario–. Pero claro, si Jano está muy ligeramente más cerca de Saturno que Epimeteo, esto significa que tarda un poquitín menos de tiempo en dar una vuelta a Saturno. Ambas lunas tardan básicament el mismo tiempo en dar una vuelta al gigante –unas dieciséis horas y media–, pero Jano tardará unos 30 segundos menos que Epimeteo. En consecuencia, en cada vuelta alrededor de Saturno Jano va “comiendo terreno” en su persecución a Epimeteo, acercándose poco a poco a la otra luna: más o menos un cuarto de grado cada día.
Inevitablemente, aunque sea un proceso muy lento, Jano se acerca mucho a Epimeteo… lo suficiente como para que la interacción gravitatoria entre ambos satélites altere sus órbitas. Imagina la escena: ambas lunas viajan en la misma dirección, Jano por detrás pero comiendo terreno a Epimeteo, que va por delante. Pero la gravedad de Jano tira de Epimeteo hacia sí, es decir, la frena, mientras que la gravedad de Epimeteo tira de Jano hacia ella, es decir, la acelera. Es decir, que el efecto se va amplificando a sí mismo, y Jano viaja cada vez más rápido mientras que Epimeteo lo hace cada vez más despacio, siempre en un proceso que dura un largo tiempo (casi cuatro años), pues es bastante sutil.
Podrías pensar que el resultado inevitable sería una colisión entre ambas lunas, pero ahora entra en acción un efecto diferente: Jano ya no se mueve a la velocidad orbital que corresponde a su órbita –hablamos de ese concepto al hacerlo de propulsión interplanetaria–, sino más deprisa, y lo contrario le sucede a Epimeteo. Es algo así como si Jano fuera un coche que está haciendo una curva, pero el conductor pisa el acelerador demasiado y el coche se va saliendo hacia el exterior de la curva. Dicho en términos algo más técnicos, el radio orbital de Jano aumenta, y la luna se aleja de Júpiter. Según lo hace va disminuyendo su velocidad hasta estabilizar su órbita unos 20 km más lejos.
¡Pero a Epimeteo le sucede lo contrario! Como se mueve demasiado despacio para su órbita, va “cayendo” hacia Saturno poco a poco y aumentando su velocidad según lo hace, hasta alcanzar una nueva órbita estable unos 80 km más cerca de Saturno que antes. ¿Te das cuenta del resultado?
Las dos lunas han intercambiado sus órbitas.
Ahora es Epimeteo la que está más cerca de Saturno y la que va algo más rápido, y Jano la que está más lejos y va más despacio. Pero claro, Epimeteo era la que iba por delante en la órbita, y Jano por detrás, de modo que la hermana mayor nunca llega a alcanzar a la otra, porque ahora se mueve más despacio que ella: Epimeteo, que llevaba ventaja aunque la iba perdiendo poco a poco, ahora va más deprisa y se va alejando de Jano un poco cada día. Harán falta cuatro años para que Epimeteo vaya recortando distancia –casi toda la órbita de ambas, claro–, y finalmente se acerque a Jano “por detrás”; cuando logra acercase lo suficiente se va acelerando por la atracción de Jano y el proceso se repite, aunque con los papeles intercambiados (Epimeteo por detrás y Jano por delante).
Epimeteo y Jano
Epimeteo (izquierda) y Jano (derecha), fotografiados por Cassini. Aunque no se pueda distinguir la profundidad, Jano está 40 000 km más lejos de la cámara que Epimeteo (NASA).
Es como si los dos hermanos jugasen un juego en el que uno se acerca al otro por detrás y le da un empujón, el otro da toda la vuelta hasta darle un empujón al primero. Como resultado, ambas lunas nunca llegan a acercarse más de 10 000 km la una a la otra, y este baile delicioso se repite una y otra vez cada cuatro años (el último cuasi-encuentro se produjo en 2010). ¡Y todo por una diferencia de radio orbital de 50 km!
Puedes ver un diagrama de este intercambio orbital en la siguiente imagen. Se ha utilizado un sistema de referencia en rotación que gira con el período aproximado de ambas órbitas, con lo que no se dibujan las órbitas reales sino los movimientos en relación a ese sistema de referencia que gira. Si el diagrama te lía y has comprendido la explicación anterior con palabras, no te preocupes y déjalo estar; lo incluyo por si a alguien le aclara las cosas visualizarlo así.
Órbitas de Jano y Epimeteo
Intercambio orbital de Jano y Epimeteo en un sistema de referencia en rotación (JrkentiCC Attribution-Sharealike 3.0 License).
El anillo que acompaña a las dos lunas es muy tenue, y se debe a los constantes impactos de meteoroides sobre los dos satélites. Como hemos dicho antes, ambos están formados de hielo apelmazado, con lo que cada golpe espolvorea hielo a su alrededor, y parte de él, dependiendo de la velocidad con la que salga despedido, empieza a realizar su propia órbita sobre Saturno, con lo que el paso de los años ha dejado un rastro helado que marca la órbita de los dos hermanos.
Más allá de este par de lunas juguetonas y su anillo hay otra extensión más o menos vacía que llega hasta el siguiente anillo, el anillo G, a unos 166 000 km del centro del planeta. Este anillo es muy tenue y muy delgado, más que el filo de un cuchillo una vez más, y tiene una anchura de unos 9 000 km.
Anillo G
Anillo G (NASA).
El origen de la mayor parte del anillo G es un minúsculo satélite, Egeón –nombrado por uno de los hecatónquiros de la mitología griega, padre de Briareo y personificación del Mar Egeo–, descubierto en 2009. Es un pedazo de hielo de tan sólo medio kilómetro de diámetro y los constantes impactos de micrometeoritos lo van desgajando poco a poco, con lo que seguramente era algo mayor en el pasado.
Arco de Egeón
Egeón y su arco en el anillo G (NASA).
Egeón fue descubierto porque se observó que no todo el anillo G era igual de tenue: había un pequeño arco más brillante, que se movía con el anillo alrededor de Saturno. Más o menos en el centro de ese arco de material más denso se observó un punto aún más brillante, que no es otro que este pequeñísimo satélite, que tiene una resonancia orbital 7:6 con la luna Mimas. Por tanto, pensamos que los impactos sobre Egeón han liberado casi todas las partículas de hielo que forman tanto el arco como el anillo completo.
Más allá del anillo G hay, de hecho, arcos que no llegan a ser anillos completos y que están asociados a otros pedazos de hielo mayores de lo normal, pero no tienen mayor interés y no voy a detenerme en ellos. Son muy tenues, delgados y no contienen demasiado material.
El siguiente anillo, el más exterior de todos y el más grande con muchísima diferencia, es el anillo E, que se extiende desde unos 180 000 km de distancia del centro de Saturno hasta unos 480 000 km. Tan extenso es que varias de las lunas “de verdad” que veremos en próximas entregas orbitan en el interior del anillo E y, de hecho, son probablemente responsables de su existencia, en particular Encélado. ¡Pero paciencia, que ya llegaremos a ellas!
Anillo E
Anillo E (NASA).
Observa que he calificado al anillo E como el más grande, y lo es, pero sólo en extensión: no contiene ni de lejos la misma cantidad de materia que otros anillos interiores más estrechos. Se diferencia además de todos ellos en el hecho de que no está formado de partículas de hielo de tamaños muy diversos, sino que prácticamente todo el anillo E está constituido por partículas microscópicas, tan pequeñas que ni siquiera tiene mucho sentido calificarlo de hielo, pues casi todas son moléculas sueltas, con lo que es más un gas que otra cosa. Es, por tanto, extraordinariamente tenue, aunque su enorme tamaño hizo que fuera descubierto antes que otros más densos como el F.
Y con esto hemos terminado una exploración exhaustiva –disculpas si demasiado pero, como siempre, en esta serie prefiero pasarme que quedarme corto, ya que lo más obvio lo hemos estudiado todos en el colegio– del sistema de anillos de Saturno. Antes de seguir con otros asuntos del subsistema saturniano, mis instintos profesoriles me empujan a hacer dos cosas. Por un lado, un breve repaso de lo que hemos visto hoy, ya que la cantidad de información es ingente y puede confundir.
Alejándonos del anillo A a través de la división de Roche, hemos conocido el minúsculo satélite que viaja por ella, Atlas. Posteriormente llegamos al anillo F, delgado y encerrado entre Prometeo y Pandora, para luego alejarnos aún más de Saturno y llegar hasta las lunas hermanas, Jano y Epimeteo, y el anillo asociado a ellas. Después hemos viajado aún más lejos, hasta el anillo G, producido por Egeón, y finalmente hasta el gigantesco anillo E que se extiende más distancia hacia fuera que la que hay entre su borde interior y el propio planeta.
Por otro lado –y esto es también por instinto profesoril–, creo que es conveniente, para tu autoestima, visitar de nuevo la primera imagen de Saturno que viste al empezar nuestra exploración del planeta, en la que Cassini miraba al gigante desde más lejos del Sol que él, de modo que se veía a contraluz eclipsando el Sol. Espero que la recuerdes, porque era de una belleza despampanante. Pero espero también que cuando la mires de nuevo lo hagas con otros ojos: con ojos más sabios.
En aquella foto maravillosa, aunque no lo dijera entonces, se ven todos los anillos, interiores y exteriores, incluso el G y el E (no se puede distinguir el de Jano y Epimeteo, pero bueno). Ni siquiera voy a poner etiquetas porque, si hemos hecho bien nuestro trabajo tanto tú como yo, casi todo lo que ves debería resultar ya familiar:
Saturno y anillos
Saturno y sus anillos, eclipsando el Sol (NASA). Versión a 2766×1364 px.
Como regalo de despedida de este artículo, si te fijas en la versión a máxima resolución de la imagen y has aprendido la lección, busca el anillo G y luego fíjate en lo que parece casi una luna pastora del anillo justo en su interior, en la posición horaria de las 10 en la foto. ¿Ves ese punto luminoso? Pues te estás mirando a ti mismo: es la Tierra.

Portal de recursos para la Educación, la Ciencia y la Tecnología.

El océano subterráneo de Titán – Ciencia

El océano subterráneo de Titán

28 de junio de 2012: Datos proporcionados por la nave espacial Cassini, de la NASA, han revelado que Titán, la luna de Saturno, probablemente albergue una capa de agua líquida debajo de su caparazón de hielo. Los hallazgos se publican en la edición de hoy de la revista Science (Ciencia, en idioma español).
“La detección realizada por la sonda Cassini de grandes mareas en Titán lleva a la casi ineludible conclusión de que hay un océano oculto en las profundidades”, dijo Luciano Iess, quien es el autor principal del trabajo y miembro del equipo de Cassini, en la Universidad Sapienza de Roma, Italia. “La búsqueda de agua es una meta importante en la exploración del sistema solar y ahora hemos detectado otro lugar donde abunda el agua”.
Titan's Underground Ocean (splash)

Este concepto artístico muestra un posible escenario para la estructura interna de Titán, tal como lo sugieren los datos proporcionados por la nave espacial Cassini, de la NASA. Crédito de la imagen: A. Tavani
La evidencia son las mareas. La poderosa gravedad de Saturno estira y deforma a Titán a medida que la luna se desplaza alrededor del gigante planeta gaseoso. Si Titán estuviera compuesto enteramente de rocas duras, la atracción gravitacional de Saturno debería causar abultamientos, o “mareas sólidas”, en la luna de solo 1 metro (3 pies) de alto. En cambio, los datos muestran que Saturno crea mareas sólidas de aproximadamente 10 metros (30 pies) de altura. Esto sugiere que Titán no está compuesto completamente de material sólido rocoso.
Primero los científicos no estaban seguros de que Cassini pudiera detectar los abultamientos causadas por el tirón de Saturno sobre Titán. Sin embargo, Cassini lo logró, y midió el campo gravitacional de Titán durante seis cercanos sobrevuelos, los cuales tuvieron lugar desde el 27 de febrero de 2006 hasta el 18 de febrero de 2011. Estas mediciones de la gravedad, realizadas con ayuda de la Red del Espacio Profundo (Deep Space Network o DSN, por su sigla en idioma inglés), de la NASA, revelaron la magnitud de las mareas de Titán.
“Estábamos haciendo mediciones ultrasensibles y, por suerte, Cassini y la DSN pudieron mantener un vínculo muy estable”, dijo Sami Asmar, un miembro del equipo de la sonda Cassini, en el Laboratorio de Propulsión a Chorro (Jet Propulsion Laboratory o JPL, por su sigla en idioma inglés), de la NASA, en Pasadena, California. “Las mareas en Titán levantadas por Saturno no son gigantes comparadas con el tirón que ejerce el planeta más grande, Júpiter, sobre algunas de sus lunas. Pero, aunque no se pueda perforar la superficie de Titán, las mediciones de la gravedad proporcionan los mejores datos que tenemos de la estructura interna de dicha luna”.
Titan's Underground Ocean (movie, 200px)

Una película muestra “mareas” en Titán ocasionadas por la gravedad de Saturno (exageradas para que el concepto sea más claro).Reproducir video
Una capa oceánica no tiene que ser enorme o profunda para crear las mareas observadas. Una capa líquida entre la corteza externa, deformable, y un manto sólido permitirían a Titán formar los abultamientos y comprimirse a medida que orbita a Saturno. Como la superficie de Titán está compuesta principalmente de hielo de agua, el cual abunda en las lunas del sistema solar externo, los científicos creen que es probable que el océano de Titán esté compuesto principalmente de agua líquida.
En la Tierra, las mareas son el resultado de la atracción gravitacional de la Luna y el Sol sobre nuestros océanos en la superficie. En los océanos abiertos, pueden alcanzar una altura de 60 centímetros (2 pies). El tirón gravitacional del Sol y de la Luna también provoca que la corteza de la Tierra forme abultamientos, creando así mareas sólidas de aproximadamente 50 centímetros (20 pulgadas).
La presencia de una capa subterránea de agua líquida en Titán no es en sí misma un indicador de vida. Los científicos consideran que hay más probabilidades de que la vida surja cuando el agua líquida está en contacto con la roca, y estas mediciones no pueden decir si el fondo del océano está compuesto de roca o de hielo.
Los resultados tienen una implicancia más importante para el misterio del reabastecimiento de metano en Titán. El metano abunda en la atmósfera de Titán pero los investigadores creen que es inestable, de modo que debe de haber una fuente de abastecimiento para mantener dicha abundancia.
“La presencia de una capa de agua líquida en Titán es importante porque queremos entender cómo se almacena el metano en el interior de Titán y cómo puede subir en forma de gas hacia la superficie”, dijo Jonathan Lunine, quien es un miembro del equipo de la sonda Cassini, en la Universidad Cornell, en Ithaca, Nueva York. “Esto es importante porque todo lo que es exclusivo de Titán deriva de la presencia de abundante metano, aunque el metano en la atmósfera debería de ser destruido en períodos geológicamente cortos”.
Un océano de agua líquida, aderezado con amoníaco, podría producir líquidos flotantes que combinan amoníaco y agua, los cuales emanan a través de la corteza y liberan metano del hielo. Un océano como ese podría servir también como una profunda reserva para almacenar metano.
Para obtener más información sobre la misión Cassini a Saturno, visite: http://www.nasa.gov/cassini yhttp://saturn.jpl.nasa.gov.
Créditos y Contactos
Funcionaria Responsable de NASA: Ruth Netting
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips
Traducción al Español: Ángela Atadía de Borghetti
Editora en Español: Angela Atadía de Borghetti
Formato: Ángela Atadía de Borghetti y Juan C. Toledo
Más información
La misión Cassini-Huygens es un proyecto de cooperación entre la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Italiana. La misión está dirigida por el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL, por su sigla en idioma inglés), para el Directorio de Misiones Científicas de la NASA, ubicado en Washington. La Red del Espacio Profundo (DSN, por su sigla en idioma inglés), que también está dirigida por el JPL, es una red internacional de antenas que respaldan las misiones de las naves espaciales interplanetarias y las observaciones astronómicas llevadas a cabo por medio de radios y de radares para la exploración del sistema solar y el universo. La red también brinda apoyo a las misiones seleccionadas que orbitan la Tierra. El equipo científico de radio de Cassini tiene su base en Wellesley College, en Massachusetts. El JPL es una división del Instituto de Tecnología de California, en Pasadena.

Portal de recursos para la Educación, la Ciencia y la Tecnología.

Un poco de Física de Partículas parte I – Taringa!

Un poco de Física de Partículas parte I


Un poco de Física de Partículas y el modelo estandar





Introducción 

La Física de Partículas elementales estudia los componentes básicos de nuestro universo y las interacciones que gobiernan su comportamiento. Para algunas personas, eso significa que lo estudia todo, así que sería una buena herramienta para responder a la milenaria pregunta, primero filosófica y ahora científica, sobre “de qué está hecho” y “cómo funciona” el Universo. 

Estos son, según la Física actual, los ingredientes básicos de la materia; partículas elementales de dos tipos, quarks y leptones: 



A las que hay que añadir una “antipartícula” con la misma masa pero con números cuánticos opuestos. 



y éstas son las interacciones entre ellas: 



Cada interacción está asociada a una o más partículas. El fotón, por ejemplo, es además la partícula que constituye la luz y cualquier otro tipo de radiación electromagnética. El intercambio de estas “partículas mediadoras de las interacciones” es el mecanismo que mantiene unidas a las partículas compuestas (protones, neutrones, átomos, moléculas, …), explicando las fuerzas entre ellas, aunque una interacción es, como veremos, más que una fuerza. 

Un resumen gráfico de las posibilidades del modelo estándar y del método de la física de partículas. 

No se pretende con las figuras que siguen nada más que ilustrar algunas de las cosas que el modelo estándar puede hacer, como explicar la composición de todas las partículas materiales y la actuación de las “fuerzas” que las mantienen unidas o algunos otros procesos como las desintegraciones. 

El protón está compuesto por tres quarks que se mantienen unidos intercambiando constantemente gluones; si además hay un electrón ligado al protón por el intercambio de fotones, el resultado es un átomo de hidrógeno. (¡No está a escala!) 



La partícula llamada K–(kaón negativo) está formada por un quark s y un antiquark 



Este “diagrama de Feynman” representa la interacción electromagnética (la expresión “fuerza” resultaría más familiar) entre dos electrones “mediada” por el intercambio de “fotones virtuales”. 



En este proceso llamado desintegración beta y debido a la interacción débil, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un (anti)neutrino electrónico cuando uno de los quarks del neutrón emite una partícula W–. Aquí queda claro que el término “interacción” es más general que “fuerza”; esta interacción que hace cambiar la identidad de las partículas no podría llamarse fuerza. 



Aún queda mucho por hacer, ya que apenas hemos dicho algo sobre los procesos representados (¿cómo es posible que puedan desaparecer unas partículas y aparecer otras?, ¿qué son y qué hacen exactamente las partículas mediadoras?…) pero antes de proseguir tenemos que desarrollar cierta familiaridad con las partículas y los métodos teóricos y experimentales utilizados para estudiarlas. 



Esta figura trata de resumir los métodos de trabajo de los físicos de partículas. Algunos de ellos hacen experimentos en aceleradores y detectores, otros se dedican a tratar e interpretar los datos, otros se dedican a construir modelos y teorías… En el mundo real, estas distinciones no son claras; no hay experimento sin teoría, los teóricos no pueden ni quieren vivir aislados ni son todos “puros”, etc. 




Colisiones. El método experimental. 

Introducción 

¿Cómo estudiar el comportamiento y la estructura de objetos que no pueden verse ni tocarse porque están más allá del alcance de cualquier microscopio? ¿Cómo manejarlos y manipularlos? 

Será mejor empezar con una fábula… 

Había una vez una tribu de relojeros que, para conocer el contenido de los distintos tipos de relojes, empezó a lanzarlos primero contra un muro de relojes y más tarde contra otros relojes. 



Con el tiempo descubrieron que no sólo obtenían piezas como resortes, engranajes, tornillos, pilas, cristales de cuarzo,… sino también ¡relojes completos de otros modelos! 

¿Por qué hacen eso? ¿Qué aprenden sobre los relojes? ¿A quién le importa? ¿Existe una tribu parecida a esa? ¿Dónde se esconde…? 


Terraza de la cafetería de CERN en verano.



No sólo existe, sino que sus estructuras sociales y ritos de iniciación han sido estudiados por los antropólogos (Sharon Traweek, Beamtimes and Lifetimes. The World of High Energy Physicists, Harvard University Press, 1988); son los Físicos experimentales de Altas Energías, a quienes se puede encontrar en laboratorios como el CERN en Ginebra o Fermilab cerca de Chicago. 

Ahora intentaremos aprender algo del trabajo de nuestros relojeros. 


Colisiones simples 


Aunque la idea de que todo está hecho de átomos, es decir, partículas indivisibles, tiene unos dos mil quinientos años, no hace más que unos cuatrocientos que es una verdadera idea científica y sólo desde hace unos cien se ha podido poner a prueba experimental mediante el principal método conocido para averiguar la estructura de los objetos que no pueden desmontarse (por pequeños o invisibles, etc); enviar proyectiles contra ellos y observar el resultado de las colisiones. 

A eso se le llama un experimento de dispersión (¡y entre ellos se podría incluir el ver, a simple vista o con instrumentos, la luz que emite o refleja cualquier objeto!) 

Veamos una pequeña animación en la que lanzamos canicas contra un objeto invisible para averiguar su forma y tamaño. Dependiendo de como se dispersen las partículas podemos averiguar como es el objeto. Este tipo de dispersión (colisión) en que las partículas salen siendo las mismas que las que entraron, pero desviadas, se llama dispersión elástica. 




Un buen ejemplo de experimento de dispersión elástica es el que llevaron a cabo Hans Geiger y Ernest Marsden, entre 1907 y 1909, bajo la dirección del neozelandés Ernest Rutherford, y que sirvió para descubrir el núcleo atómico; se trataba de lanzar “partículas alfa” (hoy sabemos que son núcleos de helio) contra una fina lámina de oro. 



Unos 60 años después, Taylor, Friedman y Kendall, descubrieron lanzando haces de electrones contra un blanco de hidrógeno que “dentro” del protón había objetos puntuales, a los hoy llamamos quarks. El experimento era mucho más complicado pues, para empezar, como resultado de las colisiones había partículas que no estaban ni en los proyectiles ni en el blanco. Es un caso de dispersión inelástica. 

En los experimentos de colisión se conoce el estado inicial y se trata de obtener la máxima información sobre el final: la energía o momento lineal y demás características relevantes de los “proyectiles” y dónde van éstos a parar, cómo cambia su estado, las partículas nuevas que pudieran aparecer (ver la sección siguiente)… 

La tarea de los físicos es integrar todos estos datos en un modelo coherente (ya existente o en desarrollo…) sobre la constitución de la materia: sus componentes y las interacciones entre ellos. Veamos un ejemplo de colisión inelástica de un Kaón negativo y un protón. 



Antes de seguir, convendría responder esta pregunta: ¿Por qué se llama a veces “Física de Altas Energías” a la Física de Partículas? o, aún mejor, ¿para qué son necesarias esas energías tan altas? 



¿Para qué “altas energías”? 

Si hacemos una lista ordenada cronológicamente de los principales aceleradores de protones (y a veces antiprotones o núcleos), notaremos rápidamente una clara tendencia: 




Hasta la invención de los aceleradores, los físicos e habían conformado con lo que la naturaleza les daba; partículas de baja energía emitida por fuentes radiactivas y las, generalmente, escasas e impredecibles partículas de los rayos cósmicos (entre las que, sin embargo, están las de máxima energía conocida, hasta 1011 GeV). 



¿Por qué ese empeño en aumentar las energías de las partículas que chocan a pesar de las dificultades técnicas –y económicas– que implica? 

Hay dos motivos, pasemos al primero: 

No es fácil de explicar, pero la teoría cuántica exige el empleo de energías más altas cuanto más pequeños sean los detalles de la estructura que se quiera investigar (es el mismo motivo por el que los microscopios electrónicos permiten observar estructuras más pequeñas que los ópticos). 

La siguiente tabla, tomada de La Partícula Divina. Si el Universo es la respuesta, cuál es la pregunta (de Leon Lederman y Dick Teresi, Crítica, Barcelona, 1996), muestra la energía aproximada que hace falta para poder penetrar en algunas estructuras interesantes: 



Parece haber una proporcionalidad entre la energía y el tamaño de las estructuras que pueden “verse”. Naturalmente, la búsqueda de energías mayores tiene como objeto la exploración de estructuras aún más pequeñas. ¿Serán los quarks y leptones partículas “puntuales”, sin estructura, o les ocurrirá lo que les ocurrió antes a los átomos o a los protones? 

Además, al aumentar la energía de las colisiones, se puede decir que, en cierto sentido, retrocedemos en la historia del Universo, ya que parece que éste nació en un estado inimaginablemente denso y caliente, y desde entonces se ha ido enfriando (en cierto sentido, su temperatura media es de unos 270 ºC bajo cero). Al producir colisiones de alta energía revivimos procesos hace miles de millones de años que no se daban naturalmente. 

Para ver otro motivo que lleva a intentar conseguir energías cada vez más altas, pasemos a la sección siguiente… 

Colisiones con creación de materia 

La siguiente imagen muestra la reconstrucción de un suceso producido en el detector ALEPH del acelerador LEP, en el laboratorio europeo de Física de Partículas, CERN, donde chocaron frontalmente un electrón (e–) y un positrón (e+). 




Las masas del electrón y el positrón son iguales, y el experimento se ha diseñado de modo que las velocidades de ambas partículas, representadas por dos flechas blancas, sean también iguales y opuestas. 

Como resultado aparecen más de una docena de partículas (puede haberlas invisibles para el detector…). La primera explicación que se le ocurre a cualquiera es que el choque ha liberado algunas piezas del interior del electrón y el positrón, pero eso es imposible, al menos por dos motivos: 

Todo parece indicar que, al menos hasta el tamaño que puede estudiarse con los instrumentos actuales, las partículas que chocan son puntuales, no tienen estructura, no tienen “partes”. Además, 

La masa calculada de cualquiera de las partículas resultantes ¡es mayor (o igual, pues algunas son electrones) que la de las partículas iniciales! Así que difícilmente podrían ser parte de ellas, aunque este razonamiento es menos inocente de lo que parece. 

Como este fenómeno de la aparición de nuevas partículas se produce únicamente a energías suficientemente altas y la energía (a diferencia de la masa, como vemos) sí se conserva, parece que no queda más remedio que aceptar que la energía de las partículas puede “convertirse en materia”, en masa de nuevas partículas, según E = mc2. 

La famosa fórmula, tan fácil de enunciar como difícil de explicar claramente, viene a decir que una masa m se puede transformar en la energía mc2 (en las reacciones nucleares de fisión y fusión, por ejemplo) y la energía mc2 puede convertirse en una partícula de masa m (como en las colisiones de los aceleradores). 

Para cada partícula hay un umbral de energía por encima del cual puede crearse en una colisión, que es justamente el producto de su masa por el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío: mc2. 

Así, para poder obtener un electrón o un positrón, cuya masa es 0,511 MeV/c2, hace falta disponer de una energía de al menos 0,511 MeV/c2 · c2 = 0,511 MeV (aquí se aprecia una de las ventajas de las unidades típicas de la Física de Altas Energías, ver la sección 4.5 ), así que para conseguir una pareja e+ e–, se necesitan 2 x 0,511 MeV = 1,022 MeV. Si disponemos de 1,5 MeV, por ejemplo, la energía sobrante irá a parar a la energía cinética de las partículas producidas. 

La imagen muestra otro ejemplo gráfico parecido, esta vez procedente del detector Aleph. 



Veremos más ejemplos como este y comenzaremos a explorar el origen y significado de estas imágenes, tarea que se completará con el estudio de los detectores 


El zoo de las partículas 

Un primer vistazo a los detectores. 



Cualquier detector debe contener un medio sensible que quede perturbado al paso de la partícula a registrar (lo que “vemos” es la huella que deja la partícula al atravesar el medio) Esa perturbación debe poderse traducir a imágenes y datos numéricos que permitan reconstruir la trayectoria y calcular sus características. 


Esquema de un detector similar a la cámara de burbujas.



Las imágenes de la galería de nuestro zoo de las partículas proceden de dos tipos de detectores: las cámaras de burbujas y los detectores electrónicos. 

En el primero, las partículas cargadas dejan a lo largo de su trayectoria una traza de burbujas de vapor que se puede ver y fotografiar. Es un proceso en cierto modo inverso al de la formación de una estela de vapor de agua al paso de los aviones a reacción. 


Suceso en una cámara de burbujas.



En los varios tipos de detectores electrónicos (como el Aleph del acelerador LEP en el CERN), las partículas van dejando a su paso señales eléctricas que posteriormente se tratan por ordenador para reconstruir las trayectorias (siempre se miden más cosas, pero esa es otra historia…) 


El Aleph del acelerador LEP en el CERN



Estos detectores suelen ser cilindros a lo largo de cuyo eje circulan las partículas. La figura siguiente muestra dos cortes del detector y la reconstrucción (más o menos en las dos vistas correspondientes) del resultado de una colisión entre un electrón y un positrón en el centro del detector. Cada línea corresponde a la trayectoria de una partícula.


Dos vistas de un suceso en el experimento Aleph



Así pues, ambos tipos de imágenes muestran el rastro que dejan algunas partículas en su camino. 

Procesos complejos. Colisión en una cámara de burbujas. 

Esta imagen muestra el efecto de la colisión entre una partícula llamada pión, perteneciente a un haz que entra por la izquierda y un protón del hidrógeno líquido que llenaba la cámara de burbujas. Además, las numerosas trazas espirales pertenecen en su mayoría a electrones que han sido arrancados de sus átomos. Puede decirse sin exageración que su análisis parece complejo… 

La curvatura de muchas de las trazas visibles se debe al campo magnético en el que se coloca la cámara y que actúa sobre las partículas cargadas ; con el objetivo de permitir la medida del momento lineal de las partículas. 




Procesos complejos. El descubrimiento de las partículas W y Z en el CERN 



Entre finales de 1982 y principios 1983, los científicos del CERN observaron y analizaron las primeras señales claras de la existencia de una partícula llamada “W” en colisiones entre protones y antiprotones. Aunque parezca mentira, la “evidencia” principal de que se trata de la desintegración de una W y no de otra cosa, es el electrón muy energético que se observa abajo a la derecha, señalado por una flecha… 

La importancia del descubrimiento está en que la teoría (o conjunto de teorías) hoy imperante en la Física de Partículas, el llamado “Modelo Estándar”, con sólo unos pocos años de vida, necesitaba por aquel entonces de un apoyo experimental indiscutible, que se consiguió cuando, unos meses después del descubrimiento de las partículas W+ y W–, se encontró, también en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), su compañera neutra, la Z0, que completaba en trío de partículas predicho por la teoría como transmisoras de la interacción débil 




Procesos complejos.El resultado de la colisión de un electrón y un positrón en el detector ALEPH del acelerador LEP 

Dicen los expertos que en la colisión de un electrón y un positrón (su antipartícula) que viajaban perpendicularmente al plano de la figura, se ha producido una partícula Z que se ha desintegrado para dar lugar a dos quarks y un gluón. 

Sin embargo, ninguna de estas partículas puede existir libre, así que las decenas de trazas que se ven son, en cierto sentido, de sus descendientes y permiten (¡a los que saben!) reconstruir la historia de este suceso. 



Procesos complejos.Resultado de la colisión de dos iones de oro en el detector STAR del acelerador RHIC 

Aún más complicado que el anterior es lo que sucede aquí, donde también salen quarks y gluones de la colisión entre dos iones de oro, pero ya no son dos o tres… 



Uno de los objetivos de este experimento (desarrollado en el acelerador RHIC, el colisionador relativista de iones pesados, en Brookhaven, cerca de Nueva York) es el de conseguir, un “plasma de quarks y gluones”, similar al que, según la cosmología actual, llenaría el universo hasta unas milésimas de segundo después del Big Bang. Se puede ver aquí una de las tendencias de la Física de Altas Energías, la de fundirse con la cosmología en el estudio del origen y evolución del universo por todo esto se dice a veces que los aceleradores son “máquinas del tiempo” 


Finalmente, merece la pena detenerse en este experimento porque dio lugar a unas noticias que nos hacen pensar, y no sólo sobre Física. Hace pocos años salieron en la prensa noticias sobre la posibilidad de que las colisiones de alta energía entre iones pesados pudieran dar lugar a una auténtica catástrofe, ¡ni más ni menos que destruir la Tierra al crear pequeñísimas concentraciones de materia ultra densa! 

No sería mala idea proponer un ejercicio basado en esto sobre el significado exacto de “Altas Energías”, porque comparadas con las energías que ponemos en juego en cualquier actividad cotidiana, las de los experimentos de Física de Altas Energías son ridículas. 


El modelo estandar 

Particulas 

Los ingredientes fundamentales del modelo estándar son los campos cuánticos . A nuestra intuición les resulta más cómodo llamarles partículas elementales. También suele hacerse la distinción entre partículas “materiales”, y partículas “transmisoras de las interacciones”. Las primeras son: 



Todas ellas son partículas de spin ½ y diversas masas. A diferencia de los leptones, los quarks no existen libres, sino únicamente confinados en otras partículas, por lo que sus masas no pueden definirse con tanta facilidad como las de las partículas aisladas, y para hacerlo es necesario tener en cuenta sus interacciones (no es algo desconocido,… la suma de las masas de los nucleones del helio es mayor que la del propio núcleo, por eso la fusión nuclear es una fuente de energía; se trata de la energía de enlace y de E = mc2). 

Respecto a las cargas eléctricas de las partículas elementales, son éstas (en términos de la carga del electrón definida como – 1): 



No tiene ninguna importancia que las cargas de las quarks sean fraccionarias, que nunca se han observado en los experimentos, ya que parece que los quarks (ver más abajo) no pueden existir aislados. Lo que cuenta es que los hadrones, formados por quarks, son siempre combinaciones con las cargas enteras medidas. 

Para cada una de las partículas existe una “antipartícula” exactamente igual en todo excepto en sus cargas y en algunos números cuánticos como la paridad o la extrañeza, que son de signo opuesto. 

¿Por qué en el párrafo anterior se habla de “cargas”, en plural?, ¿hay alguna más además de la eléctrica? Sí; así como la carga eléctrica es la “fuente” de la interacción electromagnética, hay una carga de color que es la fuente de la interacción entre quarks y gluones y, en efecto: 

Cada uno de los seis “sabores” de quarks que recoge la tabla se puede presentar en tres variedades distintas, que se llaman “colores” (rojo, verde y azul), así que hay más partículas de lo que parece, pues un quark u rojo, por ejemplo, no es un estado del quark u, sino una partícula diferente. 


Interacciones 

Los campos cuánticos responsables de las interacciones y sus correspondientes cuantos (con spin 1 salvo el hipotético gravitón, que tendría spin 2) son: 




Tomemos, por ejemplo, la cromodinámica cuántica, QCD, la teoría de la interacción de color entre quarks y gluones. Lo que vimos en las secciones antes citadas no es sino una pequeña parte de la historia. 

El “atributo” de quarks y gluones que hace que estos interaccionen se llama carga de color, pero es más complicada que la carga eléctrica: cada quark puede tener uno de estos tres colores: rojo, verde o azul (y los antiquarks antirrojo, antiverde o antiazul). Cada gluón tiene uno de los tres colores y uno de los tres anticolores (así un gluón puede ser rojo–antiverde, por ejemplo; sólo hay ocho combinaciones independientes de las nueve posibles). La mayor complicación de la QCD viene, sin embargo, de que los gluones tienen carga de color, a diferencia de los fotones, que no tienen carga eléctrica. (¡Por supuesto, los quarks no tienen color en el sentido corriente del término!) 

El hecho conocido de que los quarks se agrupan para formar otras partículas, llamadas hadrones, sólo en combinaciones de dos quarks (mesones) o tres quarks (bariones) se traduce en la exigencia de que las combinaciones de quarks sean “incoloras” (por analogía con la mezcla de luces de colores en las que rojo + verde + azul = blanco). 

Eso sólo puede suceder en grupos de tres si hay un quark de cada color, así, el protón puede ser uud y el antiprotón igual, cambiando quarks por antiquarks y sus colores por anticolores. La partícula – sería sss, etc. A los anticolores se les llama también colores complementarios (antiverde = magenta) pues verde + magenta = blanco, etc. 

En grupos de dos quarks, hace falta un color y su anticolor para una combinación incolora, así un kaón negativo K– (s) puede tener un quark rojo y el otro antirrojo (cyan), etc. 

El intercambio de gluones mantiene unidos a los quarks en grupos de dos o tres formando hadrones (superando a veces la repulsión eléctrica de quarks con cargas de igual signo). Los protones y los neutrones se mantienen unidos en los núcleos (también a pesar de la repulsión eléctrica) como resultado de la interacción residual de color, de un modo análogo a como se forman las moléculas a partir de átomos neutros mediante interacciones electromagnéticas residuales como las fuerzas de van der Waals o los enlaces de hidrógeno. 

Otra cosa curiosa de la cromodinámica cuántica es el hecho de que las fuerzas entre quarks y gluones no disminuyen con la distancia como las electromagnéticas o gravitatorias sino que ¡aumentan su intensidad!, eso está relacionado con el confinamiento de los quarks, que nunca se encuentran aislados… 


Bueno hasta aquí podríamos dejarlo como primera parte, todavía nos queda bastante que decir, hay que hablar de detectores, aceleradores y el marco teórico de todo esto, pero eso será en un par de días. 

Si les gustó o les sirvió de algo, recomiendenlo… si no pasa nada.
Portal de recursos para la Educación, la Ciencia y la Tecnología.

C.S.I. GINEBRA | Cuentos Cuánticos

C.S.I. GINEBRA

6 Votes

Esta entrada ha sido escrita por la nueva colaboradora de Cuentos:
Laura Morrón Ruiz de Gordejuela @lauramorron
Estos días se ha hablado mucho del bosón de Higgs e incluso, en algún medio más atrevido, se ha llegado a proclamar su descubrimiento. Pero la realidad, como sabemos, es que aún no se le ha echado el lazo al tan preciado bosón. Por el momento sólo contamos con la aparición en escena de un candidato a Higgs con muchas posibilidades. Afortunadamente, el mero descubrimiento de este aspirante ya constituye un hecho crucial en la historia de la física y es la razón del estallido de aplausos que inundó la sala de conferencias del CERN donde se impartieron los dos seminarios en que se hizo público el descubrimiento.
En estas líneas no nos centraremos en el candidato a Higgs sino en los científicos que llevan años tratando de dar con él. Presentaremos, a grandes rasgos, los problemas que se han encontrado y se encuentran en el proceso de detección e identificación del sospechoso. En el caso del LHC los equipos de investigación que compiten por dar caza al bosón son dos: CMS y ATLAS y el hecho de realizar una investigación a dos frentes es imprescindible para poder validar el descubrimiento con dos resultados obtenidos de forma independiente. Además, para que negarlo, también le da vidilla al asunto.

CMS

ATLAS
Una de las dificultades de partida a la que se han enfrentado los buscadores de Higgs ha sido el desconocimiento de algo tan crucial como es su masa. Debido a esta carencia, se ha tenido que rastrear un rango de masas muy amplio con la consiguiente necesidad de un extraordinario desarrollo tecnológico en los equipos de generación y detección. Otro aspecto que hace ardua la tarea es el efímero periodo vital del bosón que siendo terriblemente inestable, únicamente “vive” durante 10-22 segundos. Por tanto, lo que se estudia son sus restos que, para acabar de complicar el proceso, dependen de la masa (entre otras cosas) que tiene el bosón, la cual desconocemos.
Estas huellas consisten en diferentes caminos de desintegración que el bosón puede tomar y cada uno tiene asociado una determinada probabilidad.

Higgs desintegrándose en dos bosones Z que a su vez se desintegran en otras partículas. Este es un camino de desintegración del Higgs, también puede desintegrarse en otras partículas como dos fotones, dos taus, etc.
Finalmente, apuntar que el análisis de “lo que queda del bosón” se ve entorpecido por el resto de partículas generadas que no corresponden a ninguna de sus vías de  desintegración.

Buscando el Higgs

Así que, a grandes rasgos el método que se sigue es el siguiente: se asigna una primera masa al bosón, se evalúan los restos que pueden generarse con dicha masa y los equipos proceden al estudio de las huellas que se han producido.
Si los caminos de desintegración presentan anomalías tales que pueden justificarse mediante fluctuaciones estadísticas se descarta ese intervalo de masas, se fija otra masa al bosón y vuelve a procederse de manera análoga.
Si por el contrario el estudio de los restos da una agrupación de resultados demasiado elevada como para poder atribuirla a fluctuaciones estadísticas, se dispara la alarma y se centra el estudio en el rango de masas seleccionado. Debido a que entra en juego la probabilidad y la fiabilidad de la medida depende del numero de eventos registrados, se realizan experimentos hasta alcanzar el grado de confianza necesaria para dar por válido un resultado en Física de Partículas (el famoso término 5 sigmas).
Después de años y años de investigaciones en laboratorios como el Fermilab, el Tevatron o el propio LHC, finalmente, la masa de Higgs se ha acotado al intervalo comprendido entre los 125 y 126 GeV.
Para un bosón de Higgs de esta masa los caminos de desintegración son principalmente cinco, dos de los cuales, aunque muy poco frecuentes, son más fáciles de detectar con los equipos de CMS y de ATLAS. Y es en estos canales donde ambos han comprobado que el candidato se comporta igual que el bosón buscado con la significancia estadística mínima requerida de cinco sigmas (que traducido a palabras llanas significa que tenemos el 99.99% de seguridad de que lo encontrado es el Higgs).
Ahora falta hacer más experimentos, ver si en los otros canales también se comporta igual y por tanto su “huella digital” coincide con la de Higgs. Si es así el Modelo Estándar se completará y podrá seguir empleándose su maquinaria matemática para hacer predicciones dentro de su campo de aplicación. Sin embargo dicho modelo seguirá presentando las carencias que obligan a investigar en la nueva física. En caso contrario, si no es el bosón de Higgs estándar, ya estaremos inmersos en esa nueva física. Por lo tanto y en conclusión, el candidato sea o no Higgs ya ha iniciado una nueva era.

Portal de recursos para la Educación, la Ciencia y la Tecnología.

Cómo le expliqué el bosón de Higgs a mi abuela en Twitter « Francis (th)E mule Science’s News

Cómo le expliqué el bosón de Higgs a mi abuela en Twitter

Abuela, el universo comenzó hace mucho, mucho tiempo. No sabemos cómo ocurrió ni el porqué, pero hace 13.700 millones de años, que se dice pronto, pero es mucho tiempo, nacieron el espacio, el tiempo, la energía y la materia [1]. Toda la materia que nos rodea está hecha de átomos y los átomos están hechos de partículas, pero al principio del universo no había átomos, solo había partículas. Todas las partículas del universo nacieron sin masa; ahora mismo hay partículas muy pesadas, otras muy ligeras, e incluso algunas siguen sin masa, pero al principio no había ninguna diferencia entre sus masas, ninguna.
Como ninguna partícula tenía masa, todas eran eternas y ninguna podía desintegrarse en partículas de menor masa [2]. Hoy conocemos tres familias de partículas, de masa creciente, pero el universo está hecho solo de las de menor masa. No sabemos por qué, pero algo le pasó a la sopa primordial y casi todos sus tropezones, las partículas, ganaron masa. Ocurrió cuando el universo tenía solo una billonésima de segundo de vida y su temperatura era de unos 100 millones de billones de grados. Lo que llamamos época electrodébil del universo dio paso a la llamada época de los quarks [3]; la sopa primordial de partículas cambió en ese momento clave en la historia del universo. Ya no se producirían partículas de Higgs, W y Z por doquier; este cambio extraordinario provocó que las partículas de Higgs, W y Z ganaran una masa enorme, aunque el fotón siguió sin masa; al ganar masa, las partículas de Higgs, W y Z dejaron de ser estables y decayeron en otras partículas de menor masa [4].
Abuela, todavía no sabemos los detalles de lo que ocurrió, solo que algo le pasó al llamado campo de Higgs. Sabes que el campo magnético de un imán atrae o repele a otro imán. También percibes el campo gravitatorio de la Tierra que atrae hacia el suelo todas las cosas que se te escapan de entre las manos. La radio, la televisión, los teléfonos móviles y muchas otras cosas son posibles gracias a los campos electromagnéticos. Estamos rodeados de campos, pero solo sentimos la gravedad. El campo de Higgs es otro de los campos que nos rodea por todas partes, pero como los campos electromagnéticos no lo percibimos con nuestros sentidos. Bueno, algunos sí, no hay magia en los campos; ves gracias a la luz visible que emite el Sol y te calientas en invierno con el calor de la chimenea.
La física cuántica es muy difícil de explicar con palabras, pero créeme, los campos cuánticos solo se pueden observar como partículas. Los campos cuánticos, como todos los campos, presentan ondas, como las olas en el mar, las ondas sonoras o las ondas de la luz. Pero estas ondas no se pueden observar, es imposible, solo podemos observar las partículas que representan. Por qué solo podemos observar partículas. La razón es sencilla, para observar un campo cuántico tenemos que usar otras partículas, por ello lo único observable son partículas y su efecto sobre otras partículas. El vacío es un estado del campo; una región del espacio está vacía si no hay partículas, pero puede haber ondas en el campo. Sé que puede ser difícil de entender, pero el vacío del campo no está vacío, tiene ondas del campo, que los físicos llamamos con el curioso nombre de partículas virtuales. Las leyes de la mecánica cuántica (el principio de incertidumbre de Heinsenberg) permiten que estas partículas virtuales aparezcan y desaparezcan sin que nadie pueda observarlas [5].
Abuela, no confundas el estado de vacío de un campo con la nada o con el espacio vacío sin más; el vacío es un mar que hierve partículas virtuales. La física cuántica permite contar el número de partículas que hay en una región del espacio en la que hay un campo; hay cero en el vacío y puede haber una, dos, tres, o cualquier número entero positivo, pero es imposible que haya media partícula, un tercio, o cualquier otra fracción. Si te pregunto qué energía promedio asignarías al vacío, qué me dirías. Cierto, el valor cero es el más razonable, pero no el único posible. La física cuántica nos enseña que un campo también puede tener un vacío con una energía promedio mayor de cero y que este valor puede cambiar. El campo de Higgs antes de que el universo tuviera una billonésima de segundo tenía un vacío con energía cero y varias partículas de Higgs sin masa. Pero el campo de Higgs cambió y adquirió una energía del vacío enorme, las partículas ganaron masa y todos los Higgs se desintegraron. Desde entonces la única forma de producir un bosón de Higgs es haciendo vibrar el campo con muchísima energía utilizando colisiones de partículas [6]. Los físicos decimos que el campo de Higgs se condensó y las partículas se separaron en tres generaciones de masa creciente.
La condensación del campo de Higgs es lo que los físicos llamamos una transición de fase; parece muy complicado, pero tú lo experimentas en tu cocina cuando hierves agua. El agua líquida a 100 grados Celsius sufre una transición de fase y se convierte en vapor de agua, los físicos decimos que el agua cambia de estado. En tu congelador, a cero grados Celsius,  el agua se solidifica formando hielo [7]. ¡Cómo le gustan los helados a tu nieto! El agua líquida, el vapor de agua y el hielo son la misma cosa, agua, son solo diferentes estados de la misma cosa, pero sus propiedades son muy diferentes. El campo de Higgs antes y después de la condensación es la misma cosa, pero sus propiedades son muy diferentes y también su relación con las partículas. Al condensarse el campo de Higgs cambió su manera de interaccionar con las demás partículas y muchas que no interaccionaban con él empezaron a hacerlo, ganando masa.
Abuela, podríamos decir que las partículas sin masa estaban “desnudas” y que el cambio que experimentó el vacío del campo de Higgs las (re)vistió con un pesado vestido. Los físicos decimos que una partícula está “desnuda” cuando eliminamos de las ecuaciones los efectos del vacío que rodea a dicha partícula. El efecto del vacío, que siempre está presente, consiste en (re)vestir a la partícula, cambiando sus propiedades y parámetros. No solo cambia la masa. Todos los parámetros de una partícula, como su carga eléctrica, tienen un valor diferente para la partícula desnuda y para la partícula (re)vestida. En los experimentos solo podemos observar los parámetros de la partícula (re)vestida; los valores para la partícula desnuda son imposibles de medir [8]. Los físicos creemos que el valor de la masa de las partículas “desnudas” (sin el campo de Higgs) es exactamente cero; sin “vestido” la partícula no tiene masa. El vacío del campo de Higgs (re)viste a las partículas y hace que se comporten como si tuvieran masa. Una nube de bosones de Higgs virtuales (re)viste a la partícula y es responsable del valor de la masa de la partícula que medimos en los experimentos [9].
No sabemos por qué unas partículas son más atraídas que otras por el campo de Higgs. No sabemos por qué un electrón tiene mayor masa que un neutrino, pero menor masa que un quark; quizás la respuesta sea un simple accidente, o quizás haya una razón profunda. Estudiar la partícula de Higgs no nos permitirá saberlo, pues todo lo que sabemos sobre las partículas, lo que los físicos llamamos modelo estándar, no nos permitirá descubrirlo. Será necesario descubrir nuevas leyes físicas. Te preguntarás entonces, ¿por qué el anuncio del descubrimiento ha generado tanto revuelo mediático?
Abuela, muchos físicos estudiamos en la carrera que la partícula de Higgs debía existir pero que sería imposible encontrarla. Hace 20 años parecía un sueño imposible de realizar. Pero todo cambió hace unos 10 años. Los rumores de que el Higgs podría ser descubierto en pocos lustros puso a miles de físicos manos a la obra para descubrirlo. Para muchos de nosotros el anuncio del pasado 4 de julio ha sido un sueño cumplido.
La partícula de Higgs es muy esquiva y no podemos observarla directamente, pero podemos saber que existe estudiando la huella que deja su presencia, los productos de su desintegración. En los grandes colisionadores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones, más conocido como el LHC, que se encuentra en el Centro Europeo de Física de Partículas, el CERN, cerca de Ginebra, en la frontera francosuiza, hemos podido fabricar la partícula de Higgs haciendo colisionar entre sí dos partículas con muchísima energía. Utilizando dos detectores enormes, cual catedrales mediavales, llamados ATLAS y CMS, hemos podido observar las trazas de las partículas en las que se desintegra el Higgs; no lo hemos visto, pero ya sí sabemos que existe.
Para los físicos ha sido un paso hacia adelante de enorme importancia. Ahora podemos estudiar una nueva rama de la física, la física del Higgs. Para los físicos ha sido como descubrir un nuevo continente aún por explorar. ¡Cuántas cosas aprenderemos gracias a la física del Higgs! Hay tantas cosas que no sabemos y cuesta tanto arañar unos pocos detalles de las leyes que rigen la Naturaleza, pero qué apasionante.
Abuela, espero que esta explicación haya servido para que vivas un poco la pasión que tu nieto, como muchos otros físicos, derrocha por la física del Higgs [10].
Comentarios en Twitter
[0] Antonio @aberron dijo que ”la abuela no puede oírte. Le dio un síncope con tu primer tuit y estamos con ella en el hospital. No insistas.”
[1] En Twitter no gustó, pero no quería hablar tan pronto de espaciotiempo, campos, partículas, … Soy consciente de que a los físicos no nos gusta usar la palabra “materia.”
[2] Mario Herrero @Fooly_Cooly recordó que las partículas sin masa también pueden desintegrarse en otras partículas sin masa (siempre y cuando no se violen otras leyes de conservación). Por ejemplo, en QCD el gluón puede desintegrarse en pares de gluones (g→gg).
[3] Se cree que la época inflacionaria ocurrió entre 10–36 y 10–32 segundos tras el Big Bang (Gran Explosión). La época electrodébil ocurrió entre 10–36 y 10–12 segundos.
[4] En la época de los quarks la sopa primordial estaba dominada por quarks y leptones de primera generación, fotones y gluones. Las partículas de las otras dos generaciones eran inestables y decaían en partículas de la primera.
[5] El concepto de partículas virtuales es uno de los más profundos y difíciles de explicar con palabras cotidianas de toda la física. Lo más importante que hay que saber es que las “partículas virtuales” no son partículas, son excitaciones del vacío del campo. Por qué entonces se les llama partículas. Porque en ciertas interacciones una “partícula virtual” puede transformarse en una partícula y porque en los diagramas de Feynman (una herramienta matemática) se trata a las excitaciones del vacío como si fueran “partículas” que violan las leyes de la física (por ejemplo, los “fotones virtuales” tienen masa, pueden comportarse como si viajaran al pasado y cosas más raras); violan estas leyes físicas cuando insistimos en ver como partículas cosas (las “partículas virtuales”) que no son partículas, pero estas violaciones no “molestan” a los físicos porque las “partículas virtuales” no se pueden observar como partículas (entre otras cosas, porque no lo son). Algún día dedicaré una entrada que aclare estos conceptos tan abstractos.
[6] Para producir un bosón de Higgs no solo hay que poner mucha energía en una pequeña región del espaciotiempo, también tiene que ocurrir que dicha energía esté asociada a partículas con mucha masa (quark top, W o Z). En el LHC, más del 90% de los Higgs se producen por fusión de gluones, vía tres quarks top virtuales. Casi todo el 10% restante de Higgs se produce por fusión VV de bosones, tanto WW como ZZ. Otros modos de producción, como la producción de cuatro quarks top, o la desintegración de un único bosón (W o Z), tienen una contribución mucho más pequeña.
[7] Obviamente, estoy simplificando al máximo el diagrama de fases del agua, en el que, como mínimo, hay tener en cuenta la presión (pero también influyen otros, como la composición isotópica del agua).
[8] Algunos físicos criticaron mis palabras en Twitter pues estoy utilizando términos propios de la teoría de la renormalización (como “bare particle” y “dressed particle”) y los estoy aplicando a la rotura de la simetría electrodébil. Me pareció que este analogía podía ayudar, ahora cuando la releo me parece que meter nuevos términos complica más que ayuda.
Nota técnica solo para físicos: He abusado de la confianza de mi abuela y parte de lo que he dicho en este párrafo no es correcto. En la teoría de la renormalización se llama masa desnuda de la partícula a la masa de la partícula suponiendo que es puntual (es decir, para radio cero o energía infinita). Esta masa desnuda es imposible de medir, pues es imposible de eliminar el efecto del vacío del propio campo de la partícula que la rodea; este vacío altera el valor desnudo y lo reviste (con el propio campo) resultando el valor medible experimentalmente, que depende por tanto de la energía (y del momento) de la partícula. En este entrada he abusado de la analogía (al más puro estilo de ¿vale pulpo como animal de compañía?) y le he explicado a mi abuela el efecto del campo de Higgs como un revestimiento del vacío a la partícula. Obviamente, los físicos que lean esto me tirarán de las orejas. El campo de Higgs dota a la partícula de su masa desnuda y luego el vacío del propio campo de la partícula la reviste. No es cierto que la partícula desnuda del campo de Higgs tenga una masa desnuda nula, pero espero que me permitáis la analogía en aras a la comprensión de estas sutilezas por parte de mi abuela.
[9] La analogía muy popular de un famoso que entra en una fiesta y el público le rodea haciendo que se mueva como si su masa fuera mayor sigue la misma idea de razonamiento. Obviamente, estas analogías están muy alejadas de la realidad de los campos y sus interacciones. Nadie debe tomárselas muy en serio.
[10] Los dos últimos párrafos no fueron tuiteados porque Twitter no es para tuitear entradas de un blog. Cada medio tiene su uso. Aunque he de confesar que la versión actual de la entrada ha cambiado bastante con respecto a su versión original gracias a los tuits de los que me siguieron mientras la tuiteaba, frase a frase.

Portal de recursos para la Educación, la Ciencia y la Tecnología.

¿Qué es el Higgs? | Cuentos Cuánticos

¿Qué es el Higgs?

3 Votes

Ahora que estamos en plena resaca del descubrimiento del Higgs en el LHC podemos preguntarnos ¿Qué es el Higgs?. Hay magníficas entradas al respecto en muchos blogs que han tratado de explicar el Higgs y su descubrimiento, valgan como ejemplos:
En esta entrada vamos a intentar explicar qué es el Higgs, para qué es necesario y qué problemas resuelve. Intentaré hacer una discusión simple, posiblemente no tan precisa como las entradas anteriores, pero que deje entrever la importancia de este descubrimiento.

El modelo estándar

Como hemos dicho en varias ocasiones el modelo estándar es la mejor explicación que tenemos sobre la mesa sobre las propiedades e interacciones de las partículas elementales.
Este modelo se construye sobre la base de dos ideas:
–  Hay cantidades conservadas como la energía, el momento, el número leptónico y bariónico, etc.
–  Las interacciones son debidas a la imposición de una cosa que se conoce como simetría gauge.  En este blog hemos discutido sobre qué es una teoría gauge de forma visual en esta entrada: Gauge esto, Gauge lo otro… ¿qué es una teoría gauge?
La importancia de esta idea de simetría gauge es enorme y se puede resumir en los siguientes puntos:
  1. Como es conocido, porque se habla mucho por ahí, las teorías físicas sobre partículas elementales se empeñan en darnos infinitos que molestan un poco. Pues bien, las teorías que permiten eliminar estos infinitos son precisamente las que tienen simetría gauge.
  2. Además al imponer la simetría gauge a una teoría esta nos regala dos cosas. Por un lado nos identifica las cargas de las distintas interacciones, por ejemplo nos dice que la interacción electromagnética es debida a dos cargas que llamamos eléctricas positivas o negativas. Pero es que además nos dice que las interacciones tienen que existir.
Por estos motivos los físicos adoran las teorías gauge, por un lado nos permiten hacer cálculos sin que salgan infinitos, o que si salen podamos eliminarlos (renormalización). Y por otro lado la imposición de la simetría gauge nos obliga a que haya interacciones (electromagnética, débil y fuerte) con sus cargas asociadas (carga eléctrica, carga débil o tipo de partícula, carga de color, respectivamente).

Las sorpresas del modelos estándar

Para empezar el modelo estándar identifica tres interacciones que se pueden formular como teorías gauge:
  1. El electromagnetismo que se da entre cargas eléctricas.
  2. La interacción débil que se da entre distintos tipos de partículas. Es decir esta interacción cambia una partícula en otra. Por ejemplo puede cambiar un quark d en un quark u.
  3. La interacción fuerte que a niveles fundamentales se da entre quarks y es debida a tres cargas que llamamos color y son el azul, el verde y el rojo.
La visión que nos dan estas teorías es la siguiente:
  • Cada interacción tiene una o varias partículas cuyo intercambio produce la interacción.
Por ejemplo en el electromagnetismo dos partículas se atraen o se repelen intercambiando fotones.  En la interacción débil el cambio de una partícula en otra se produce intercambiando unas partículas llamadas Z (bosón neutro) y W (que hay de dos tipos cargado positivamente y cargado negativamente). En la interacción fuerte se intercambian gluones que son bosones que cambian el color de los quarks cuando estos se encuentran con los gluones (cambian su carga fuerte, no son colores de verdad).
La sorpresa viene de dos lados:
  1. Al imponer la simetría gauge las partículas del modelo estándar tienen que ser todas partículas sin masa en reposo.  Es decir, todas se moverían a la velocidad de la luz. Si en la teoría forzamos a que las partículas tengan masa la simetría gauge deja de funcionar.
  2. Además a una determinada energía (100GeV) el electromagnetismo y la interacción débil son la misma interacción, esto quiere decir que fotones y bosones W y Z tienen el mismo comportamiento. Este es un ejemplo de unificación.
Esto es un problema porque las teorías gauge identifican las interacciones que vemos en los laboratorios pero nos dicen que las partículas tienen que tener masa nula. Así que por un lado identifican bien las interacciones y por otro no admiten que las partículas tengan masa aunque sabemos que la tienen. Y otro problema es que en nuestras energía cotidianas electromagnetismo e interacción débil son cosas muy distintas, con la primera tenemos corrientes eléctricas y con la segunda tenemos procesos de radioactividad.
El problema es:
¿Hay alguna forma de romper la igualdad entre electromagnetismo e interacción débil de forma que se preserve la simetría gauge y además obtengamos masas de las partículas que sabemos que la tienen?

La solución está en el Higgs

La clave de este asunto es notar que hay un ingrediente del que no hemos hablado, el campo de Higgs. Lo maravilloso de este campo es que a determinada energía es totalmente insensible al resto de campos (fotones, bosones W y Z, electrones, etc). Esto se traduce en que la situación es simétrica, lo que quiere decir que fotones, partículas W y Z se comportan de la misma manera.
Sin embargo, al bajar la energía del universo el campo de Higgs rompe la simetría. Una idea pedestre de esto la podéis encontrar aquí:
Y una discusión algo más formal aquí:
La idea es simple:
  1. A altas energías el Higgs tiene una energía alta pero el valor del campo es nulo. Es decir, el campo vale cero y por tanto el resto de partículas no pueden interactuar con él.
  2. Cuando baja la energía del universo el Higgs ya no puede estar en esa energía alta porque es inestable y decae a un valor donde el campo deja de ser nulo (aparecen bosones de Higgs) y su energía va a su mínimo.

Cuando el Higgs baja a su estado de mínima energía aparece un valor no nulo del campo. Pero este valor se puede elegir de forma “aleatoria”. Este proceso se conoce como rotura espontánea de la simetría.
El Higgs interactúa con las partículas con carga débil, la carga débil las tienen todas la partículas elementales, leptones, bosones, quarks, etc.  Pero el fotón tiene una carga débil nula.
Cuando el Higgs toma un valor determinado aparecen los bosones de Higgs. Resulta que esto es justamente lo que se necesita para que la simetría gauge siga funcionando. Pero es que además debido a las interacciones del Higgs con las partículas con carga débil no nula estas partículas adquieren masa.
Así que esto soluciona dos problemas. Por un lado la simetría gauge se preserva aunque tengamos partículas con masa. Pero por otro debido a que ahora el bosón W y el Z tienen masa ya no se comportan como el fotón. Así que hemos diferenciado la interacción débil y la interacción electromagnética. Este mecanismo se puede extender a otras partículas.

Masa ¿qué masa?

Cuando aquí hablamos de masa nos estamos refiriendo a la masa inercial, es decir, a la característica física que nos dice cuan de fácil o difícil resulta acelerar una partícula.  El modelo estándar no trata la gravedad así que en primera instancia esta masa no tiene nada que ver con la gravitación.
Hemos de recordar que la física de partículas está formulada en términos de relatividad especial, esta teoría es de un espacio plano donde la gravedad no tiene nada que decir.
Nos seguimos leyendo…

Portal de recursos para la Educación, la Ciencia y la Tecnología.

El bosón de Higgs: preguntas y respuestas | El Tamiz

El bosón de Higgs: preguntas y respuestas

Puedes suscribirte a El Tamiz a través de Twitter (@ElTamiz) por correo electrónico o añadiendo nuestra RSS a tu agregador de noticias. ¡Bienvenido!

A estas alturas lo sabe hasta mi perro: muy probablemente se ha confirmado la existencia del bosón de Higgs. El lenguaje de los científicos involucrados es cautelosísimo, en un momento hablamos del porqué, pero la cosa tiene muy buena pinta. Como digo, esto no es ya noticia para casi nadie, y no lo escribo como tal ni mucho menos; lo hago porque me habéis mandado tal cantidad de correos que si no escribo algo me corréis a gorrazos.
De modo que voy a intentar, sin alargarme mucho, hacer una especie de lista de preguntas-respuestas breves para que todo hijo de vecino se entere de qué diablos hemos descubierto, cómo lo hemos hecho, por qué tanta cautela, qué importancia tiene esto, etc. Si alguien pregunta algo nuevo y sé contestar, tal vez lo añada (si merece la pena hacerlo, claro). Vamos con ello.

¿Qué es el bosón de Higgs?

Aquí, afortunadamente, tengo hechos los deberes. Hemos hablado del bosón de Higgs en la serie Esas maravillosas partículas, y si no has leído ese artículo en concreto te recomiendo que lo hagas cuando termines éste (o incluso antes de seguir, si tienes paciencia). El resto de la serie no viene mal para comprender el Modelo Estándar de la física de partículas a la que pertenece el bosón, aunque repetiré los conceptos fundamentales aquí.
Si no tienes ninguna paciencia, dicho mal y pronto, el bosón de Higgs era la única partícula elemental predicha por nuestro modelo actual de física de partículas que no habíamos detectado hasta ahora; de acuerdo con ese modelo, es la responsable de la existencia de la masa. Pero, insisto, mejor lees el artículo entero.

¿Qué experimentos se han realizado para detectarlo?

El bosón de Higgs es una partícula extraordinariamente inestable: no existe durante más que una infinitésima de segundo. Por lo tanto, no podemos observarlo directamente. Observamos más bien otras cosas que suceden cuando un bosón se desintegra. La situación es parecida a la siguiente (y, lo reconozco, estúpida) analogía: imagina que en un bosque creemos que puede haber un oso, pero es un oso invisible. No podemos verlo jamás, pero tal vez podemos detectar sus rastros, excrementos, etc. Sólo que los “excrementos” de una partícula elemental son bastante más sutiles que los de un oso.
De acuerdo con el Modelo Estándar, el bosón de Higgs puede desintegrarse en varios grupos diferentes de partículas elementales (y algunas de ésas son también inestables y se desintegran en otras, etc.). Por ejemplo, puede desintegrarse para dejar dos fotones de muchísima energía, o en dos bosones Z, o en dos bosones W.
Higgs, experimento fotones
Experimentos con emisión de dos fotones: la diferencia entre la línea roja sólida y la punteada indica la masa más probable del bosón detectado (CMS/CERN).
De modo que en los últimos años los científicos del CERN han estado realizando multitud de experimentos haciendo impactar partículas subatómicas a velocidades tremendas, esperando que en algunas de esas colisiones se produjera, durante una fracción de segundo, un bosón de Higgs. Mientras hacían colisionar esas partículas, sus detectores estaban ojo avizor para observar las partículas secundarias resultantes de la desintegración del bosón: dependiendo de qué partículas y con qué características –naturaleza, velocidad, etc.– es posible predecir la masa de la partícula que, al desintegrarse, les dio lugar.
El problema está en que, a diferencia de los excrementos y el oso, las partículas detectadas pueden deberse a multitud de causas, no sólo al bosón, y los detectores no siempre ven todo lo que deben ver. Por eso se realizan tantísimas pruebas: para descartar “ruido” debido a razones diversas y tener así una muestra estadística suficientemente grande como para estar seguros de que no estamos hablando de una casualidad.

¿Cuál ha sido el resultado? ¿Qué quiere decir eso de cinco sigma?

El resultado ha sido la detección de un bosón con una masa de unos 125 GeV/c2 (unos 7·10-17 kg) y una certeza estadística de cinco desviaciones típicas (5 σ, por la letra griega que representa la desviación típica). Dicho en cristiano, hemos detectado con casi total probabilidad un bosón gigantesco y nunca visto hasta ahora –de unas ciento treinta veces la masa del protón y con una probabilidad de error de una entre tres millones–.
Esta es la conclusión derivada de los experimentos de detección de distintas partículas, como he descrito arriba; cada uno de los experimentos individuales tiene resultados y probabilidades diferentes, pero varios de ellos muestran la presencia de un bosón muy masivo y la masa de ese bosón es prácticamente la misma en cada experimento independiente. La probabilidad de que experimentos tan distintos coincidan tantísimo en su resultado como fruto de la casualidad es minúscula.
Lo de las cinco sigmas tiene que ver con la desviación típica, que a su vez tiene que ver con la distribución normal y la estadística. Es algo que aparece aquí por el gran número de experimentos realizados y la naturaleza estadística del asunto, y es algo habitual en experimentos de este tipo. Puedes leer una buena explicación de este asunto en esta entrada de Kanijo.
Sigmas
Probabilidad de presencia de un bosón de 125 GeV/c2. Cada color excepto el negro representa el resultado de los experimentos con un par diferente de partículas de desintegración. Cuanto más hundida la gráfica, mayor probabilidad. La gráfica negra es la combinación de todas las demás (CMS/CERN).
En cualquier caso, sin preocuparnos de las matemáticas, permite que lo traduzca sin la cautela de los científicos involucrados: hemos “visto” (hasta donde puede ser visto) un bosón de masa 125 GeV/c2. Además, hace falta tener en cuenta dos cosas:
  • Esa masa es compatible con las predicciones teóricas del bosón de Higgs del Modelo Estándar.
  • No tenemos ninguna otra explicación más razonable de la presencia de este bosón nuevo tan gigantesco en los experimentos que la existencia bosón de Higgs.
Más claro, agua.

¿Por qué tanta cautela entonces? ¿Por qué tanto “probablemente”, “compatible con”, etc.?

Porque esto no es pseudociencia. Porque las carreras de muchos científicos se irían al traste si lanzaran las campanas al vuelo sin tener mayor certeza de la que tienen y luego resultan estar equivocados. Porque sería deshonesto no decir la verdad, aunque suene poco impresionante.
Pero vamos: hemos visto excrementos como los de un oso. Hemos oído ruidos osunos por la noche, y hemos visto huellas como las que dejarían las patas de un oso. No hemos visto el oso,porque no podemos verlo, pero un oso dejaría esos rastros, y nadie tiene ni idea de qué otra cosa podría producir esto si no es un oso. De modo que, hasta nueva orden, pensamos que en el bosque hay un oso.
Incluso aunque no fuera exactamente el oso que teníamos en mente –aunque tiene pinta de que sí–, tiene que ser algo lo suficientemente parecido como para producir todos los rastros compatibles con nuestro oso teórico, y eso de por sí es un notición.
Sé que toda esta cautela puede resultar frustrante, pero en parte es la grandeza de la ciencia: nunca estamos seguros de nada excepto del hecho de que no estamos seguros. Pero es muy probable que el bosón de Higgs exista. En parte, la causa de tanta inseguridad es el hecho de que la física moderna estudia cosas tan alejadas de nuestros sentidos y de las escalas de tiempo y distancia que podemos percibir que todas nuestras observaciones son indirectas, a veces en más de un grado, con lo que es dificilísimo realizar afirmaciones tajantes.
En el futuro, según realicemos más experimentos y construyamos detectores más poderosos, podremos alcanzar mayor certeza, pero la certeza absoluta es lo más contrario a la ciencia que se puede imaginar.

¿Por qué es esto tan importante? ¿No confirma algo que ya pensábamos?

Sí, pero insisto: ésta es parte de la grandeza de la ciencia. No decimos cosas a la ligera, y llevábamos muchos años esperando algo como esto. Tan importante es el establecimiento de una hipótesis como la realización de experimentos que la descarten o refuercen.
El Modelo Estándar predice tan, tan bien tantísimas de las cosas que vemos que resultaba enormemente frustrante no haber detectado todas las partículas que predecía. Llevamos décadas hablando de él con la coletilla de “… bueno, todas excepto el bosón de Higgs, claro”, sin los aceleradores necesarios para llegar hasta donde necesitábamos para poder confirmar o descartar su existencia y, con ella, el Modelo y sus diversas variantes.
La importancia es, por tanto, que se ha confirmado el Modelo Estándar, el aparato teórico más complejo y más profundo creado por la mente humana. No, esto no tiene aplicaciones prácticas inmediatas. No, esto no va a cambiar nuestra física, sino que va a confirmar la que llevamos décadas postulando como hipótesis –hasta donde puede ser confirmada, probablemente, bla bla blah–. Sin embargo, da una solidez a nuestro conocimiento que no teníamos antes.
Además, la cosa no acaba aquí ni se acaba el interés con este descubrimiento: hay varios posibles Higgs predichos por nuestra física, y hay varios modelos además del Estándar que predicen un bosón de Higgs. Pero nos hemos quitado de un plumazo un buen puñado de otros modelos que no lo predecían, y ahora podemos enfocar nuestra atención en lo que sí es compatible con estos experimentos y con la existencia del elusivo bosón.
Y, aunque no se tratase del bosón de Higgs, seguiría siendo un bosón nuevo y jamás visto hasta ahora. De modo que la importancia, independientemente de más confirmaciones de su naturaleza, es tremenda.

¿Qué va a pasar ahora entonces?

Si te fijas, siempre he estado hablando de la masa del bosón detectado indirectamente… porque es básicamente lo único que conocemos de él, aparte del hecho de que es un bosón. El bosón de Higgs tiene más características predichas aparte de su masa y carácter bosónico, de modo que tenemos que realizar otros experimentos que comprueben otras características y ver si coinciden con lo que debería ser, y si es compatible con el Modelo Estándar a secas o con alguna de sus posibles ampliaciones.
En otro orden de cosas, los designios de la Academia son inescrutables, pero si en breve no hay un Nobel conjunto y Peter Higgs no forma parte de él, me como el sombrero. Y luego me compro otro sombrero y me lo como de postre. Cuando he visto a Higgs en la televisión con lágrimas cayendo por las mejillas se me han empezado a saltar a mí también, ¡me hago viejo!
En mi opinión, en cualquier caso, lo más relevante no es tanto un descubrimiento que casi todos considerábamos muy probable y para el que sólo hacía falta tiempo. Es el propio proceso: la elaboración de hipótesis, la discusión entre todos, la predicción, el diseño de experimentos que descarten o no… el desentrañamiento, lento, laborioso pero divertidísimo, de los secretos del Universo. Mi humildísima enhorabuena al señor Peter Higgs y a todos los involucrados. Me enorgullece pertenecer a la misma especie que ustedes, señores.
Para saber más:

Portal de recursos para la Educación, la Ciencia y la Tecnología.