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EL HIGGS, EL UNIVERSO LÍQUIDO Y EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES

Comité de selección de obras

Dr. Antonio Alonso
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Dr. Elías Trabulse

La Ciencia
para Todos

Desde el nacimiento de la colección de divulgación científica del Fondo de Cultura Económica en 1986, ésta ha mantenido un ritmo siempre ascendente que ha superado las aspiraciones de las personas e instituciones que la hicieron posible. Los científicos siempre han aportado material, con lo que han sumado a su trabajo la incursión en un campo nuevo: escribir de modo que los temas más complejos y casi inaccesibles puedan ser entendidos por los estudiantes y los lectores sin formación científica.

A los 10 años de este fructífero trabajo se dio un paso adelante, que consistió en abrir la colección a los creadores de la ciencia que se piensa y crea en todos los ámbitos de la lengua española —y ahora también del portugués—, razón por la cual tomó el nombre de La Ciencia para Todos.

Del Río Bravo al Cabo de Hornos y, a través del mar océano, a la península ibérica, está en marcha un ejército integrado por un vasto número de investigadores, científicos y técnicos, que extienden sus actividades por todos los campos de la ciencia moderna, la cual se encuentra en plena revolución y continuamente va cambiando nuestra forma de pensar y observar cuanto nos rodea.

La internacionalización de La Ciencia para Todos no es sólo en extensión sino en profundidad. Es necesario pensar una ciencia en nuestros idiomas que, de acuerdo con nuestra tradición humanista, crezca sin olvidar al hombre, que es, en última instancia, su fin. Y, en consecuencia, su propósito principal es poner el pensamiento científico en manos de nuestros jóvenes, quienes, al llegar su turno, crearán una ciencia que, sin desdeñar a ninguna otra, lleve la impronta de nuestros pueblos.

Gerardo Herrera Corral


EL HIGGS, EL UNIVERSO LÍQUIDO Y EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES

Fondo de Cultura Económica

La Ciencia para Todos / 236

Primera edición, 2014
Primera edición electrónica, 2014

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Carta a Adriana

ÍNDICE

Prólogo

Introducción

Brizna de luz entre la noche cósmica

No tiene comienzo el mar

I. El mundo de las ideas

Hace más de 100 años

La primera revolución

La segunda revolución

Dicotomía secular

El modelo estándar

La teoría de cuerdas y el universo holográfico

II. Para asir el universo

La edad del universo

El tamaño del universo

La nada antes que todo

Breve historia del universo

III. Gran ciencia

Ciencia en grande

La Torre de Babel: la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN)

El Gran Colisionador de Hadrones para alcanzar el cielo

El dominio del fuego: el experimento ALICE

México en ALICE

IV. Del Higgs y la simetría escondida

Simetría del universo

El campo de Higgs

El Higgs, descubrimiento del siglo

ALICE y el Higgs

El Higgs y el universo líquido

V. Imagen de lo invisible y el universo líquido

La materia de quarks

Recreando la Gran Explosión: lumbre en el aire

Las huellas

La extrañeza se incrementa

El encanto desaparece

Extinción de jets

El fluir de la energía / el universo líquido

El universo líquido y los agujeros negros

VI. Reflexiones finales

La física posible y la posibilidad de una nueva física

La materia oscura

Agujeros negros y la quinta dimensión

Gran ciencia y desarrollo tecnológico

Sorpresas tecnológicas

La sustancia primordial que nos compone

La diversidad gloriosa

Las últimas 100 palabras

Acerca de científicos importantes

Glosario

Bibliografía

PRÓLOGO

Aquí revisaremos algunas de las ideas actuales de la física de partículas en su intersección con la cosmología. Lo haremos a la luz del proyecto científico más ambicioso en la historia de la ciencia: el Gran Colisionador de Hadrones. Éste no sólo es un proyecto de largo aliento, de gran inversión y de complejidad inusitada, sino también una empresa humana que, por su carácter multinacional, por el modelo de trabajo en colaboración y sobre todo por el deseo de entender el universo, se convirtió en un proyecto científico asombroso, singular y admirable.

Aquí revisaremos las ideas generales que motivan y conforman la búsqueda del origen del universo. Esbozaremos la percepción actual de su estructura y la relación que existe entre el macro y el microcosmos. Al final, el lector encontrará una lista de reseñas de los personajes que, a lo largo de este recuento, surgen como parte de las narraciones que componen la crónica.

Uno de los hallazgos más recientes en la física de partículas elementales es la existencia del campo de Higgs. Otro más, aún en ciernes, es la naturaleza líquida del universo temprano. Este último, de apariencia fútil ante el estruendo por la llegada del Higgs, podría ser tomado como banal e intrascendente, y sin embargo bien puede ser el comienzo de un cambio profundo en nuestra manera de ver el universo. Sobre estos descubrimientos hablaremos en este libro. En la opinión del autor, éstos son los temas de mayor calado en el marco de las ciencias naturales de hoy.

Los títulos introductorios son tomados de la maravillosa obra poética de José Emilio Pacheco. Los poetas tienen las palabras difuminadas para decir lo que los físicos delinean con precisión en ecuaciones y símbolos. Para José Emilio Pacheco,

La gota es un modelo de concisión:

todo el universo

encerrado en un punto de agua.

La gota representa el diluvio y la sed.

Es el vasto Amazonas y el gran Océano.

La gota estuvo allí en el principio del mundo.

Es el espejo, el abismo,

la casa de la vida y la fluidez de la muerte.

Para abreviar, la gota está poblada de seres

que se combaten, se exterminan, se acoplan.

No pueden salir de ella,

gritan en vano.

Preguntan como todos:

¿de qué se trata,

hasta cuándo,

qué mal hicimos

para estar prisioneros de nuestra gota?

Y nadie escucha.

Sombra y silencio en torno de la gota,

brizna de luz entre la noche cósmica

en donde no hay respuesta.1

A diferencia de la poesía, la exposición científica es pensamiento puro que recurre a signos para describir el mundo. Con todo y esto, detrás de las ecuaciones espera siempre una exclamación. Para quienes nos hemos acostumbrado a evocar ideas con jeroglíficos, llegar a la exclamación sin pasar por las ecuaciones no es cosa fácil.

La intención de este libro es recuperar el nombre común de los símbolos e interponer palabras. Sin embargo, estoy consciente de que la íntima realidad de las cosas no se deja asir con facilidad si no es con la versatilidad de las matemáticas, y por eso me contentaré con mostrar un poco de la gran profundidad que un poema puede tener.

Por lo demás, ésta es una historia que perderá vigencia, como ocurre siempre con la historia de la exploración científica. Aun así, ésta es la narración de una búsqueda que debe ser escrita, porque, si bien el conocimiento cambia, el método para llegar a él no pierde validez; porque, además, se debe reconocer el camino andado dejando marcas de senderos extraviados y veredas convenientes, pero, sobre todo, porque es el relato de un anhelo y todos los anhelos deben ser contados.


1 José Emilio Pacheco, Tarde o temprano, FCE, México, 2009, p. 429.

INTRODUCCIÓN

BRIZNA DE LUZ ENTRE LA NOCHE CÓSMICA

Los físicos han logrado recrear en el laboratorio y de manera controlada lo que hoy se cree que es la materia primordial del universo. Los estudios más recientes muestran que esta materia es un líquido 150 000 veces más caliente que el centro del Sol y 100 veces más denso que la materia más densa entre lo que nos rodea.

La sustancia, a dos billones de grados, se forma al provocar choques entre iones pesados a la más alta energía nunca antes lograda. Esto se hace en el Gran Colisionador de Hadrones; ahí, con la ayuda del detector A Large Ion Collider Experiment (ALICE), se ha podido observar el prístino fluido universal. Esto ocurre en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (Conseil Européenne pour la Recherche Nucléaire, CERN).

Con la colisión de iones de plomo a muy alta energía, se consiguió crear un pequeño volumen subatómico donde se forma, por instantes muy cortos, un plasma de quarks y de gluones. Esta materia exótica es la misma de la que proviene el universo entero. Está hecha de partículas subatómicas que, como veremos, son los ladrillos fundamentales de la materia. Los gluones son los responsables de unir a los quarks, y de ahí su nombre: glue, pegamento en inglés.

Experimentos anteriores han mostrado que la fuerza fuerte que experimentan los quarks se debilita a temperaturas extremadamente altas. La teoría que describe la interacción entre los quarks predice que, en un medio muy caliente, éstos se encontrarán a una distancia grande entre sí; por esto, se pensaba que el plasma de quarks y gluones debía ser un gas. Los nuevos datos muestran que esto no es así. Aun a temperaturas muy altas, los quarks siguen interactuando entre sí, y aunque la interacción fuerte se ha debilitado, la atracción entre ellos es tal que el sistema se comporta como un líquido. Este líquido no es como ninguno de los que conocemos, pues una pequeña gota del tamaño de un alfiler sería más pesada que las pirámides de Teotihuacan juntas.

No deja de ser sorprendente que a esta temperatura extrema la fuerza entre los quarks sea de tal magnitud que la mezcla original se mantiene líquida.

Un estado así se había observado antes en el acelerador Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) del Brookhaven National Laboratory, ubicado cerca de Nueva York en los Estados Unidos. Ahí se observó, en choques de iones más ligeros y de más baja energía, el comportamiento líquido del plasma. Sin embargo, el estado producido tenía la mitad de la temperatura de lo que se consiguió crear en el Gran Colisionador de Hadrones en fechas más recientes.

Se pensaba que al aumentar la temperatura, la fuerza fuerte se debilitaría tanto que por fin veríamos el plasma en forma de gas. Sin embargo, el Gran Colisionador de Hadrones parece mostrar que esto no ocurre, dejando la impresión de que quizá no entendemos la interacción fuerte tanto como pensábamos.

El líquido primigenio existió apenas unas fracciones de microsegundo después de la Gran Explosión que dio origen al universo. En ese momento los átomos eran un futuro por venir y los protones y neutrones que forman la materia no aparecían aún. Cuando el universo se enfrió y se volvió menos denso, los quarks empezaron a agruparse en combinaciones peculiares formando partículas. Desde entonces los quarks y los gluones quedaron atrapados y no se les observa libres.

Los modelos cosmológicos deberán tomar en cuenta la naturaleza líquida del universo temprano, pues las propiedades de esta materia primordial determinaron lo que sería del recién nacido universo. Si el líquido fuese viscoso como la miel, el universo en su gran escala se vería diferente a como lo vemos hoy. No obstante, ahora sabemos que el fluido original tenía la viscosidad mínima posible, esto es a lo que los físicos llaman líquido perfecto.

FIGURA 1. Evento real drel choque de dos iones de plomo producido en noviembre de 2011 en el Gran Colisionador de Hadrones y observado por el experimento ALICE. © CERN.

La producción de estas pequeñas gotas de universo temprano continúa como parte del programa de estudio del experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones, donde se quieren medir sus propiedades. La manera en que este líquido conduce el calor, su viscosidad, la opacidad que presenta, etc., no sólo nos darán una imagen de nuestro origen, sino que además nos indicarán cuál es el camino por seguir para comprender la estructura más elemental de la materia.

La llamada teoría de cuerdas, que por mucho tiempo ha permanecido como una abstracción muy alejada de la realidad, ahora ha creado métodos de cálculo con los que se puede decir cuáles son algunas de las propiedades de este líquido especial. El experimento ALICE ha comenzado a ver algunas características de este nuevo estado de la materia. Cuando se tengan los resultados completos de las mediciones, se podrán comparar con lo que dice la teoría de cuerdas, y los resultados de esta comparación podrán ser muy reveladores.

Un grupo de científicos mexicanos ha desempeñado un papel importante en el experimento ALICE. En México se diseñaron y construyeron partes del detector que ahora concentra la atención de una amplia comunidad de científicos del mundo.

NO TIENE COMIENZO EL MAR

No existe un punto donde el universo haya empezado. Uno bien podría decir que el universo comienza en todas partes, porque al iniciarse en lo que llamamos Gran Explosión, el espacio mismo se fue generando. En la actualidad pensamos que muy poco tiempo después de la Gran Explosión ocurrió algo sorprendente con el recién nacido universo. El acontecimiento que evitó la repentina desaparición de nuestro mundo se llama “inflación”, y fue ésta la que convirtió al microcosmos primigenio en el majestuoso cielo nocturno.

Fue quizás el campo de Higgs el que impulsó al universo a su vertiginosa expansión, amplificándolo en miles de millones de veces. En un instante inimaginable, lo que hasta entonces era un punto creció a un ritmo insólito hasta convertirse en una esfera del tamaño de una naranja. Al final de este proceso y gracias al Higgs las partículas adquirieron masa y lo que era luz se convirtió en materia.

El campo que lo llena todo se manifiesta como una partícula, y ésta fue observada por primera vez en el CERN. La observación fue anunciada en el verano de 2012 por los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones.