El Higgs, el universo líquido y el Gran Colisionador de Hadrones

Por Gerardo Herrera Corral

No habría materia, y sus componentes más elementales aún estarían dispersos por el vasto espacio, de no ser por el llamado "bosón de Higgs", partícula que hasta hace poco era sólo una conjetura teórica. La comprobación experimental de su existencia es por ello uno de los principales logros de la ciencia contemporánea, alcanzado gracias al que tal vez sea el proyecto multinacional más ambicioso de todos los tiempos: el Gran Colisionador de Hadrones. En estas páginas, Herrera Corral explica la importancia del descubrimiento y algunos de los experimentos que condujeron a ese feliz desenlace, da cuenta de los vínculos de científicos mexicanos con el monumental colisionador cercano a Ginebra y expone las teorías más actuales sobre la estructura de la materia, el origen y la evolución del universo, demostrando que el hallazgo del bosón de Higgs es sólo un pequeño gran paso en nuestro conocimiento del cosmos.

• Idioma: Español
• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Fecha de lanzamiento: 31 mar 2014
• ISBN: 9786071619464

Vista previa del libro

Hadrones.

I. El mundo de las ideas

HACE MÁS DE 100 AÑOS

Hace poco más de 100 años la física vivió una gran crisis, quizá la más grande de cuantas ha padecido. Durante casi todo el siglo XIX la física newtoniana había sido válida y constituía un baluarte del pensamiento científico. Según muchos, la física del siglo siguiente, es decir, del XX, sería asunto de refinamientos teóricos y experimentales que permitirían llegar a valores cada vez más precisos de las cantidades medidas. El futuro no ofrecía nada nuevo, sólo dificultades técnicas. Para mucha gente, describir el mundo era describir sistemas de muchas partículas, y la posibilidad de describir un conjunto de muchas partículas no estaba en los principios que subyacen a su comportamiento —que ya eran conocidos—, sino en el laborioso trabajo de cálculo para analizar cada una de las componentes.

Puede parecer paradójico, pero el mismo Michelson, de quien hablaremos más en este capítulo, escribía en 1899:

Las leyes más fundamentales y los hechos de la realidad física han sido descubiertos y ahora están tan firmemente establecidos que la posibilidad de ser suplantados como consecuencia de nuevos descubrimientos es muy remota. Los futuros descubrimientos se deben buscar ahora en la sexta posición de los decimales.¹

No obstante, físicos notables como Lord Kelvin veían nubes en el horizonte. En un seminario impartido por él mismo en 1900, dijo:

La belleza y la claridad de la teoría dinámica según la cual el calor y la luz son un tipo de movimiento mecánico están hoy oscurecidas por dos nubes. La primera gran cuestión está relacionada con la manera como la tierra se mueve a través de un cuerpo elástico sólido como el éter que se supone sustenta a la luz al propagarse, y la segunda, con la doctrina de Maxwell-Boltzmann de distribución de la energía.²

James Clerk Maxwell había obtenido la ecuación que describe las velocidades de las moléculas en un gas. Ludwig Boltzmann, de manera independiente, desarrolló la teoría que permitía entender en la escala microscópica las propiedades termodinámicas que vemos en el nivel macroscópico. Sin embargo, cuando la gente trató de usar las ideas clásicas de estos modelos para describir la radiación de un cuerpo negro, el fracaso fue tan grande que se le llamó catástrofe ultravioleta.

Por otro lado, el éter del que habla Kelvin era una sustancia hipotética que lo llenaba todo y que permitía que por él viajase la luz, como sosteniéndola. Era así un marco de referencia con respecto al cual los demás objetos se movían. La palabra éter viene del griego y significa cielo o firmamento, y en la mitología helénica era la sustancia brillante que respiraban los dioses, en contraposición con el aire que respiran los mortales. Si bien para los físicos del siglo XIX la idea de un éter no era precisamente el de una sustancia brillante, sí se la pensaba como sustancia real. La idea fue puesta a prueba experimental y no pudo ser validada. El éter desapareció y con su desaparición llegó la teoría de la relatividad.

La primera revolución

En 1900 Max Planck propuso una solución a uno de los dos grandes problemas señalados arriba. Con la solución planteada no sólo resolvió el problema de la catástrofe ultravioleta, creó también una nueva física.

Veamos muy brevemente cómo se generó la revolución científica que dio origen a la mecánica cuántica: cuando uno calienta un cuerpo, por ejemplo, un bloque de metal como hierro o cobre, notará que cuando éste alcanza los 1 000 grados, aproximadamente, se pone incandescente. A esta temperatura el cuerpo emite un resplandor al que llamamos rojo vivo. Si seguimos calentando, el color irá cambiando poco a poco a anaranjado, luego a amarillo y finalmente a blanco. Si observamos esta luz a través de un prisma, veremos algo interesante. El prisma descompone la luz permitiendo que veamos qué colores se combinan para formarlo.

FIGURA I.1. Las curvas muestran la intensidad de cada color que compone la luz emitida a diferentes temperaturas. Nuestros ojos sólo son sensibles al intervalo de longitudes de onda que se muestra en colores.

Cuando tenemos el metal a 1 000 grados vemos un rojo intenso; cuando llega a 1 500 grados se ve anaranjado. En este punto el prisma nos revela que la luz que vemos está compuesta de rojo, anaranjado y amarillo. Si la temperatura del cuerpo llega a 2 000 grados lo vemos amarillo y el prisma nos revela que aparece un color verde entre las componentes. Cuando conseguimos poner el metal a 3 000 grados lo vemos blanco, y al llegar a este punto, con ayuda del prisma, nos percatamos de que la luz contiene todos los colores. Al seguir aumentando la temperatura, el color ya no cambia, aunque aumente la intensidad de cada color que compone el blanco.

Cuando a principios del siglo pasado se intentó calcular la intensidad de la radiación que emite el cuerpo caliente, el resultado no tuvo ningún sentido. Los cálculos decían que el cuerpo emitiría una cantidad infinita de radiación en el ultravioleta —esto es, abajo del violeta en la figura I.1—. Si bien el violeta es visible, el ultravioleta no lo es.

Lo que uno observa en el laboratorio es que la intensidad aumenta y luego disminuye nuevamente para longitudes de onda mayores, es decir, para luz roja y más allá del rojo. El infrarrojo tiene una longitud de onda tan larga que desaparece en la sensibilidad de nuestros ojos.

En esta discusión hemos usado metales para mostrar las ideas de emisión de radiación cuando son calentados. Los físicos discuten estos fenómenos con un objeto ideal al que se llama cuerpo negro, y por consiguiente se habla de radiación de cuerpo negro. Todos los cuerpos emiten y absorben radiación y el cómo lo hacen no sólo depende de la temperatura; también depende del tipo de superficie expuesta. Un cuerpo al que se pinta de negro será un excelente emisor, y como en general los buenos emisores son también buenos absorbentes de radiación, el cuerpo negro resulta ser muy eficiente al absorber radiación. Si al mismo cuerpo se le pinta de blanco, se convertirá en pésimo emisor y también en un muy mal absorbente de radiación. Si la taza de café es negra, el café en ella se enfriará más rápido que si la taza es blanca. Todos sabemos que la ropa negra no es muy conveniente en un día caluroso porque el color negro absorbe de manera eficiente el calor, aunque uno podría pensar que también es un buen emisor, y es cierto, sólo que si la temperatura externa es mayor que la de la piel, la ropa dará calor al cuerpo. En cambio, la ropa blanca es un buen reflector y por consiguiente un pobre absorbente de calor.

FIGURA I.2. Las partículas están asociadas a ondas. A aquellas partículas con mayor energía —como la que se muestra arriba, donde hemos representado la cantidad de movimiento con una flecha— se les asocian ondas que oscilan con mayor rapidez que a aquellas que tienen menor energía, como la de abajo.

Para los propósitos de estudio que hemos esbozado antes es bueno usar un cuerpo negro que sea lo más próximo posible al ideal. Una superficie de terciopelo negro absorbe cerca de 97% del calor que le llega, y para muchos propósitos se le puede considerar un cuerpo negro. Los metales pulidos de los que hablamos anteriormente sólo absorben 6% del calor que les llega, y por eso mismo están lejos de ser un cuerpo negro ideal. Antes usamos el metal como ejemplo porque resulta más intuitivo para el lector imaginar las ideas, pero la verdad es que está lejos de ser un buen cuerpo negro.

Ante la catástrofe ultravioleta, el físico alemán Max Planck propuso describir la emisión de radiación del cuerpo negro como si fuera discontinua. Él se imaginó que el cuerpo estaba compuesto de partículas que oscilaban a una cierta frecuencia. A estas pequeñas unidades o paquetes de energía los denominó quantum. Estableció además que la cantidad de energía de un quantum depende de la longitud de onda de la radiación, es decir, del color de la emisión: cuanto menor fuera esa longitud, mayor sería la fuerza energética del paquete.

La ecuación que Max Planck propuso es:

E = h v,

donde E es la energía del paquete y v su frecuencia. La letra h es una nueva constante de la naturaleza a la que se llama hoy la constante de Planck. El valor de esta constante es muy pequeño:

h = 6.6 × 10–34 J . s

Con estas ideas Planck pudo describir la emisión de cuerpo negro, que, como dijimos, era uno de los problemas abiertos cuando el siglo XX comenzaba.

En su momento la teoría de los paquetes de radiación tuvo poca repercusión por ser demasiado revolucionaria. A nadie se le hubiese ocurrido pensar que el cuerpo negro emitiría de manera discontinua. La teoría de Planck, sin embargo, sirvió más adelante para explicar otros fenómenos. Fue así como nació la cuantización de la energía, que en los años siguientes vendría a formalizarse y a adoptar una forma más completa. Éste es el origen de la mecánica cuántica.

La segunda revolución

A fines del siglo XIX se aceptaba ya que los planetas y las estrellas se movían. La pregunta crucial, no obstante, era: ¿con respecto a qué se mueven los astros?

La física newtoniana afirmaba que todo se movía en una sustancia incorpórea denominada éter. Si el éter permanecía inmóvil, entonces el movimiento de los cuerpos se podría determinar usándolo como marco de referencia. Sin embargo, en 1887 el físico estadunidense Albert Michelson, junto con Edward W. Morley, realizó varios experimentos que mostraron la inexistencia del éter. Ya antes, en 1881, Michelson había construido un interferómetro que perfeccionó en 1887. Con este aparato se podía medir la diferencia de velocidades de la luz en direcciones perpendiculares. Si la luz viaja más rápidamente en la dirección de movimiento del planeta que en la perpendicular, se debería ver un corrimiento en el patrón de interferencia. Si el éter se opone al movimiento de la luz —como el viento lo hace cuando viajamos en un auto a una velocidad considerable—, esta oposición del viento será menor en la dirección perpendicular y aun favorable en la dirección opuesta. La diferencia se puede apreciar con cambios en el patrón de interferencia de la luz.

Una manera sencilla de explicarlo es en términos de dos nadadores que compiten en tiempo de nado de la misma distancia. La competencia consiste en salir de un punto, llegar a una cierta marca y regresar. Si la competencia se realiza en una piscina donde el agua no corre, la carrera terminará en empate, porque —pensémoslo así— los dos nadadores son igualmente veloces. Sin embargo, si existe una corriente que va en contra del nadador 1, mientras que el nadador 2 avanza en la dirección perpendicular a la corriente, no es difícil saber que el nadador 2 ganará la competencia.

En la figura I.3 hemos dibujado el interferómetro de Michelson de manera muy sencilla. Ahí se puede identificar al rayo de luz 1 y al rayo de luz 2 como los dos nadadores de los que hablamos.

FIGURA I.3. En la imagen, la fuente de luz produce un haz que incide en un espejo medianamente plateado, es decir, que deja pasar la mitad de la luz y refleja la otra mitad. De esta manera hemos construido dos nadadores: (1) y (2). Los rectángulos azules son espejos que reflejan la luz. Cuando la luz regresa de los espejos normales al espejo medio plateado dejará pasar la mitad de uno y reflejará la mitad del otro para que éstos formen un patrón de interferencia en el punto amarillo (nótese que la mitad del rayo 1 que pasa de vuelta hacia la fuente, así como la mitad del 2 que se refleja hacia la fuente, no están dibujados).

Las distancias entre los espejos son tales que las distancias a las que los rayos 1 y 2 viajan serán las mismas, de tal manera que los dos rayos llegarán en fase, es decir, que, siendo ondas, los máximos y mínimos de ambos rayos deberán coincidir, produciendo un patrón constructivo que se verá en la pantalla amarilla con un brillo mayor. Si por alguna razón un haz viaja a mayor velocidad que el otro, entonces la interferencia entre ambos producirá anillos de interferencia. Si este aparato está montado en nuestro planeta, que se mueve a 29 000 metros sobre segundo alrededor del Sol, es decir, que se mueve a esta velocidad con respecto al éter, entonces tendremos el escenario de los nadadores en dirección contraria al viento del éter o en dirección perpendicular. Esto hará que uno de los haces esté en ventaja con respecto al otro. Al llegar antes producirá una interferencia que podemos medir en la pantalla amarilla.

Los brazos del interferómetro de Michelson medían 1.2 metros y todo el arreglo de espejos estaba montado en un bloque de mármol que flotaba sobre mercurio líquido para reducir el efecto de las vibraciones. Una vez ajustado el interferómetro podía ser girado en diferentes direcciones. Considerando la velocidad de la luz y la velocidad de la Tierra, podían haber visto con facilidad el cambio en el patrón de interferencia que se induciría como resultado del efecto que el éter tendría sobre uno y no sobre el otro de los haces; ¡sólo que esto nunca fue observado!

Pensaron que quizá la rotación de la Tierra cancelaba el efecto del movimiento del planeta alrededor del Sol, por lo que esperaron 12 horas para repetir el experimento. Pero esto no cambió las cosas y en la pantalla no observaron efecto alguno. Creyeron luego que quizá el movimiento de la Tierra alrededor del Sol era cancelado de alguna manera por la posición del planeta en su órbita, por lo que esperaron seis meses para rehacer el experimento y, de nuevo, no se observó cambio. Entonces se pensó que tal vez la Tierra arrastraba al éter consigo misma en su movimiento, por lo que buscaron una montaña en California con la idea de que, en la altura, el efecto de arrastre sería menor, pero nuevamente no se observó una interferencia.

Hendrick Lorentz interpretó el resultado del experimento de Michelson y Morley en 1892, con la hipótesis de contracción de la longitud. Explicó el resultado con la posibilidad de que los objetos sufriesen una contracción a lo largo de la dirección de movimiento. La contracción debía ser tal que permitía ajustar el resultado experimental.

En 1899, sobre la misma línea de trabajo, Lorentz llegó a las reglas de transformación entre marcos de referencia que vendrían a formar la parte medular de la teoría de la relatividad. Por su parte, Henri Poincaré en 1904 hablaba ya del principio de relatividad y trabajó la parte temporal de las transformaciones relativistas. Con estos antecedentes, Einstein publicó su famoso trabajo en 1905, y habría de quedar como el creador de la teoría de la relatividad. Al respecto, E. Whittaker escribió en un artículo lo siguiente:

[…] en el otoño del mismo año [1905] y en el mismo volumen de la revista Annalen der Physik en el que se había publicado su artículo acerca del movimiento browniano, Einstein escribió un artículo en el que exponía la teoría de la relatividad de Poincaré y Lorentz con algunos complementos, el cual llamó mucho la atención.³

Einstein partió de la hipótesis crucial: la velocidad de la luz es una constante que no dependerá de ningún marco de referencia. Para mantener esto fue necesario cambiar la mecánica conocida, dando origen a la teoría de la relatividad. La solución propuesta fue tal que no se necesitó más un marco de referencia absoluto y que las leyes y fenómenos que estudiamos no dependen de ningún marco en especial.

La teoría de la relatividad tiene dos versiones: la teoría especial, que se limita a la descripción de objetos en movimiento con velocidades constantes, y la teoría de la relatividad generalizada, que describe la fuerza gravitacional y la aceleración en los objetos.

La teoría general de la relatividad tuvo que esperar varios años. No fue sino hasta 1915 que David Hilbert, matemático alemán, presentó la ecuación que describe a la fuerza gravitatoria ante la Real Academia en Gotinga, Alemania. El 25 de noviembre de ese mismo año, es decir, cinco días más tarde, Albert Einstein presentó la misma ecuación en una reunión de la Academia de Prusia.

¿Por qué se ignora hoy la participación de más gente en la construcción de la teoría especial y general de la relatividad? ¿Por qué se atribuye todo a Albert Einstein? Muy probablemente hay aspectos sociológicos y de carácter histórico que acabaron por imponer la figura de Einstein como único autor, pero la verdad