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Recientemente gran parte de los medios se ha hecho eco de un anuncio del posible y largamente demorado descubrimiento de una partícula elemental, el bosón

de Higgs. De confirmarse que se trata, en efecto, del bosón de Higgs, será sin duda una de las fechas que se marcarán como hitos en la historia de la ciencia. Predicha en 1964 de forma casi simultánea e independiente en tres trabajos publicados en la revista americana Physical Review Letters, uno de ellos firmado por el físico británico Peter Higgs, ha sido objeto de una prolongada búsqueda en los laborato-rios de altas energías a nivel mundial. El bosón de Higgs es presuntamente la última pieza que falta por encontrar del puzle que constituye la teoría moderna de partículas y sus interacciones, conocida como el Modelo Estándar.

Este bosón forma parte del reducido club de partículas elementales -aquéllas que no están compuestas por otras más pequeñas- y, según lo que se ha acabado denomi-nando el mecanismo de Higgs, sería la responsable de sus diferentes masas propias. El elenco de partículas elemen-tales se divide en dos tipos: fermiones (espín semiente-ro) y bosones (espín entero). El espín es una propiedad cuántica fundamental de todas las partículas. Los doce fermiones se agrupan en dos familias; seis leptones (de los cuales el electrón es el más conocido) y seis quarks (constituyentes por ejemplo de protones y neutrones) pu-diendo considerarse los componentes de la materia.

EL BOSÓN DE HIGGS:

Antonio Puente Ferrá Profesor Titular de Universidad

Departamento de Física Universidad de las Islas Baleares

servados. Protones y neutrones, así como el resto de es-tados, dejaban de ser partículas elementales. En su lugar, todos ellos estaban formados por combinaciones de un número reducido de quarks caracterizados por una nueva propiedad, la carga de color, que constituye el origen de la interacción fuerte y a la cual se acoplan los bosones de gauge fuertes, llamados gluones.

Protones y neutrones no tendrían carga neta de color y las fuerzas residuales entre sus quarks constituyentes se-rían las responsables de la, inicialmente creída fundamen-tal, fuerza nuclear. La propuesta de Gell-Mann simplificó enormemente la interpretación de los resultados experi-mentales obtenidos hasta el momento, dando origen a la teoría moderna de partículas elementales y sus interac-ciones. Aunque mucho menos evidente que las otras dos, la interacción fuerte es la responsable de la existencia de materia estable, de la mayor parte de la masa de los nú-cleos atómicos o de la energía producida en las estrellas y en los reactores de fisión.

Paralelamente, y en estrecha relación con los anteriores avances, surgió la necesidad de incluir una cuarta fuerza, la interacción débil -denominada así pues a bajas ener-gías es algo menos intensa que la electromagnética-. Las tres fuerzas anteriores eran, de nuevo, incapaces por sí solas de explicar algunos de los procesos de desintegra-ción observados experimentalmente, así como algunas radiaciones (rayos b) provenientes de determinados isóto-pos naturales. Los estados observados de vidas medias

más largas parecían decaer por medio de un mecanismo completamente diferente, que permitía cambios de sabor (tipo de quark) y que afectaba a todos los fermiones, tanto quarks como leptones.

Tras proponerse algunos modelos, no fue hasta 1968 cuando los físicos Sheldon Glashow, Abdus Salam y Ste-ven Weinberg consiguieron formular una teoría consisten-te para la nueva interacción. Se predijo la existencia de tres nuevos bosones elementales (W+, W- y Z) cuyo inter-cambio por parte de las partículas podía explicar los pro-cesos observados. A diferencia de las otras tres fuerzas, sin embargo, los nuevos bosones debían tener masa; unas cien veces más masivos que el protón. Desde el punto de vista de la teoría esto planteaba, sin embargo, un serio problema; todos los bosones en una teoría gauge (inva-riante bajo una transformación local arbitraria de campos) deben ser de masa nula, como el caso del fotón.

Las invariancias, relacionadas con propiedades de sime-tría, hacen referencia a grados de libertad irrelevantes en la formulación matemática que están asociados, por ejem-plo, a la libertad de elección de coordenadas o valores locales de los campos que no afectan a las predicciones finales del modelo. Si la nueva interacción debía ser inva-riante por transformaciones locales, tenía que existir algún otro ingrediente que pudiese explicar la aparente masa de los bosones débiles. La solución más simple al aparente dilema es lo que hoy conocemos como mecanismo de Hi-ggs, según el cual se predice la existencia de otro bosón

El bosón de Higgs es presuntamente la última pieza que falta por encontrar del puzle que constituye la teoría modernade partículas y sus interacciones, conocida como el Modelo Estándar

Premio Sakurai 2010 (APS). En la foto, cinco de los seis físicos que predijeron la existencia del bosón de Higgs en 1964.

la última partícula elemental

Por su parte, los bosones de gauge o partículas de cam-po se asocian a las cuatro interacciones o fuerzas funda-mentales conocidas. De éstas, la gravitatoria, cuyo origen es la masa/energía, es con mucho la más débil y también la más evidente, pues sus efectos son una constante en nuestra vida cotidiana. El bosón asociado al campo gra-vitatorio recibe el nombre de gravitón y su detección es, también desde hace tiempo, objeto de intensos esfuerzos experimentales.

La fuerza electromagnética, cuyo origen es la carga eléc-trica de las partículas, tiene como bosón de gauge el fo-tón, único bosón elemental observable directamente. La radiación electromagnética, de la cual la luz visible es sólo una pequeña parte, está compuesta de fotones de dife-rente energía. Sus efectos y aplicaciones juegan un papel esencial en nuestra vida; la radiación térmica, los rayos ul-travioleta o las radiofrecuencias son algunos ejemplos. Es

ésta también la fuerza que confiere sus propiedades a los diferentes elementos químicos gobernando sus transfor-maciones y reacciones tanto en procesos físico-químicos como biológicos.

A principios del siglo XX el descubrimiento de la estructura del átomo evidenció que debía existir al menos una fuer-za más en la naturaleza que explicase por qué el núcleo atómico (formado por neutrones y protones) se mantenía unido. Ni la atracción gravitatoria entre ellos (demasiado débil), ni la repulsión electromagnética entre los protones con carga eléctrica positiva podía dar cuenta de ello.

Se desarrollaron así los primeros modelos de una “fuerza nuclear” entre protones y neutrones -creídos elementa-les en aquel momento-, mucho más intensa que las dos anteriores y que permitía explicar la estabilidad de los diferentes núcleos atómicos. Los subsiguientes avances y el desarrollo tecnológico permitieron el descubrimiento de los procesos de fisión y otras reacciones nucleares. Hacia 1960 la cantidad de partículas diferentes observa-das en experimentos de dispersión era enorme; parecía que hubiera un sinfín de partículas elementales similares a neutrones y protones, pero con diferentes masas y car-gas eléctricas. Además, salvo el protón, todas ellas eran inestables decayendo de forma más o menos rápida en partículas más ligeras.

Fue el físico estadounidense Murray Gell-Mann quien en 1964 propuso un primer esquema teórico (el modelo de quarks) para explicar esa gran cantidad de estados ob-

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masivo sin carga eléctrica y de espín cero, que interac-cionaría con todas las demás partículas elementales con diferentes intensidades determinando sus masas propias.

El desarrollo de aceleradores, colisionadores y detecto-res de partículas ha evolucionado enormemente desde sus primeras etapas hasta culminar en el recientemente construido LHC (Large Hadron Collider) del CERN, último exponente de una serie de instalaciones similares. En sus laboratorios se aceleran haces de partículas hasta veloci-dades próximas a la de la luz, para luego estudiar la apa-rición de nuevas partículas producidas cuando los haces colisionan. La caracterización de estas partículas requiere de una medición precisa de su energía, carga eléctrica, momento y espín. Muchas de las partículas así encontra-das pueden ser explicadas como estados compuestos de quarks. Como regla general, cuanto mayor es la energía de los estados encontrados más inestables son, decayen-do rápidamente en otros estados más ligeros.

Cada uno de los eventos (productos de una colisión) deja una serie de trazas, única y característica en los detec-tores, que los investigadores se encargan de registrar, almacenar y analizar con ayuda de potentes ordenado-res. Cuando los datos procedentes de un evento son su-ficientes -no siempre ocurre así-, se puede reconstruir el proceso y comparar las propiedades de cada partícula involucrada con la base de datos correspondiente a las ya conocidas. Si alguna de las partículas detectadas no for-

ma parte del catálogo, ésta se convierte en la protagonista

del equipo de investigación debiéndose confirmar el des-

cubrimiento a través de un minucioso estudio de los miles

de millones de eventos registrados, en busca de proce-

sos similares. Debe tenerse en cuenta que la tasa actual

de obtención de datos en el LHC es del orden de cientos

de millones de eventos por segundo y la gran mayoría de

ellos se corresponde a estados ya conocidos que pueden

considerarse, a efectos de aislar la nueva partícula, como

ruido de fondo. Es necesario pues acumular suficientes

datos a fin de aumentar la relación señal-ruido por encima

del nivel significativo, antes de poder confirmar el descu-

brimiento.

El 4 de julio de este año dos equipos del LHC, ATLAS y

CMS, anunciaron la observación experimental de un nue-

vo bosón con una masa aproximada de 125 GeV/c2 (unas

133 veces la masa del protón), compatible con las predic-

ciones teóricas para el bosón de Higgs y los anteriores

resultados nulos obtenidos en otras ventanas de masa.

Los análisis realizados hasta la fecha indican que la pro-

babilidad de error en los datos es de tan solo una entre un

millón, suficiente para justificar la noticia de haber descu-

bierto una nueva partícula. Serán necesarios sin embargo,

más datos para poder descartar que no se trata de algún

estado excitado hadrónico y sí realmente del último bosón

elemental del Modelo Estándar.

Reconstrucción de una colisión con formación de bosón de Higgs.

Claudine García LiechtiLic. en Ciencias Biológicas

Descubrimientos científicos:

LA IMPRONTA

Una de las peculiaridades de la investigación cientí-fica es el modo en que pueden llegar a producirse determinados descubrimientos. Algunos de ellos han

llegado de forma inesperada por curiosas “casualidades” que acompañaron al trabajo de investigación. Las comillas son para subrayar el hecho de que aunque en ocasiones la ciencia parece avanzar como a saltos, a saltos de índole cualitativa más que como resultado, digamos, lineal de una acumulación de saber, no por ello hay que olvidar que lo que surge como novedoso proviene de alguna materia pri-ma, y esta no es otra que los conocimientos previos en el campo disciplinar de que se trate.

Un ejemplo de ello fue lo que le ocurrió al cirujano orto-pédico sueco Per-Ingvar Brånemark que, implantando un dispositivo óptico de titanio en la pata de un conejo para

estudiar la anatomía del flujo sanguíneo, descubrió la os-teointegración del metal al no poder extraerlo de la pata del animal. Gracias a Brånemark se consiguieron impor-tantes mejoras técnicas en medicina con el uso del titanio como material para la fabricación de prótesis.

Otros hallazgos llegaron a través de errores que, si bien lo fueron en relación al fin buscado, permitieron la apertura de nuevos campos anteriormente desconocidos. Así fue como en 1889, tras recibir el premio del concurso inter-nacional de matemáticas convocado por el rey Oscar II de Suecia, el matemático Jule Henri Poincaré se dio cuenta de un serio error en su trabajo. El concurso pretendía re-solver el problema de los tres cuerpos, con el que los físi-cos y matemáticos trataban de responder desde el s.XVIII a la cuestión de si el sistema solar era estable o no. (Es

El cuclillo es un ave parásita que deposita sus huevos en nidos ajenos para que sean criado por otras especies de aves.