El Bosón de Higgs

Todos habréis oído estos días en las noticias que parece que por fin se ha encontrado el ansiado bosón de Higgs, esa partícula que nos ayudaría a explicar el origen de la masa. Tal vez no todo el mundo sepa lo que es el bosón de Higgs, ni que implicaciones tiene su existencia para la Física moderna, es por ello que, a lo largo de esta entrada, voy a ir explicando brevemente que es esta “partícula de Dios” y por qué es tan importante.

¿Qué es un Bosón?

Empecemos por el principio. ¿Qué es un Bosón?. La mecánica cuántica nos dice que todas las partículas están descritas por una función de estado o función de onda. Esta función, depende de cinco variables: las tres variables espaciales (x, y, z), el tiempo (t), y el spin (s). El spin es una propiedad mecanocuántica que no tiene análogo clásico. En función de su spin, las partículas pueden ser clasificadas en dos grupos:

• Fermiones: Son partículas de spin semientero (1/2, 3/2, etc.), que poseen la propiedad de ser antisimétricas con respecto al cambio de coordenadas de dos partículas idénticas, es decir, si dos fermiones idénticos intercambian sus coordenadas, la función de onda que representa al conjunto del sistema, cambia de signo. Ejemplos de fermiones son el electrón, el protón (y los quarks que lo componen), el muón, los diferentes tipos de neutrinos…En general, se puede decir que los fermiones son las partículas fundamentales que forman la materia.
• Bosones: Son partículas de spin entero (0, 1,2,etc.), que poseen la propiedad de ser simétricas respecto al intercambio de coordenadas de dos partículas idénticas, es decir, si dos bosones idénticos intercambian sus coordenadas, la función de onda que representa al conjunto del sistema, se mantiene inalterada. Ejemplos de bosones son el fotón, el gluón, y, por supuesto, el bosón de Higgs. De la misma forma que las partículas fundamentales de la materia eran fermiones, las partículas que generan los campos o interacciones (ver la Teoría Cuántica de Campos) son los bosones.  Así, mientras el fotón es la partícula del campo electromagnético, y el gluón la del campo nuclear fuerte, el bosón de Higgs será la partícula del llamado Campo de Higgs, del que hablaremos más adelante.

Cabe destacar, que la unión de un número impar de fermiones, dará lugar a un nuevo fermión, mietras que la unión de un numero par de fermiones, dará lugar a una partícula que se comporte como un bosón. Por ejemplo, los deuterones (núcleos de átomos de deuterio, es decir, formados por un protón y un neutrón), o las partículas alfa (núcleos de He, formados por dos protones y dos neutrones) tendrán spin entero, y se comportarán como bosones.

El campo de Higgs

El Físico teórico Peter Higgs, postuló que las partículas no debían tener masa al comienzo del universo, si no que debieron adquirir está poco después, debido a su interacción con algún tipo de campo, el llamado Campo de Higgs. En Física Cuántica, los campos (ya sea el gravitatorio, el electromagnético, o el aquí mencionado campo de Higgs) están constituidos por partículas, siendo éstas las causantes de la interacción del campo. Así, las partículas existentes tendrían masa debido a su interacción con las partículas del campo de Higgs, los bosones de Higgs, los cuales, a su vez, tendrían masa por la interacción entre ellos mismos.

La Energía Oscura

En la anterior entrada habíamos estado hablando de la materia oscura, y os prometí que en la siguiente hablaría de la energía oscura. Han pasado ya meses, y, lamentablemente, no he tenido tiempo para publicar nada nuevo. Ahora que vuelvo a tener tiempo, voy a voler a retomar el blog donde lo dejé. Así que, como decía Fray Luís de León, decíamos ayer...

La Energía Oscura es una forma de materia o de energía (ambas son equivalentes a través de la ecuación de Einstein) que representa el 70% de la masa-energía total del universo. Esta energía oscura se caracteriza por producir una presión que acelera la expansión del universo, dando como resultado una gravedad repulsiva.

El concepto de una magnitud que actúa como contrapeso de la gravedad no es del todo original. Cuando Einstein postuló su teoría de la relatividad, decidió introducir una modificación a sus ecuaciones para contrarrestar la fuerza de la gravedad (que haría que el universo se contrajese) y conseguir así un universo estático, que se adecuase a la idea (o prejuicios) que del universo se tenían en aquel entonces. El propio Einstein desecharía más tarde esta idea cuando, en 1929, Hubbel descubrió el corrimiento al rojo (un fenómeno de índole relativista, basado en el llamado efecto Dopler, que se puede resumir diciendo que la frecuencia de la radiación que emite un objeto depende de su velocidad con respecto al observador, y, en el caso particular del corrimiento al rojo, que cuando un objeto se aleja de nosotros a gran velocidad, vemos su luz más roja de lo que realmente es). El corrimiento al rojo de la luz emitida por los astros implicaba que estos (todos a la vez) se estaban alejando a gran velocidad de la tierra. La única hipótesis coherente con estos datos era la de que el universo se estaba expandiendo, y, por tanto, no era estático como Einstein pensaba.

La existencia de la energía oscura fue postulada para explicar un dato realmente curioso que se obtenía al medir la velocidad de expansión del universo. Lo lógico, sería pensar que, una vez ocurrido el Big Bang, el universo seguiría expandiéndose por la acción de éste, pero, como en cualquier explosión, su efecto iría disminuyendo. Las mediciones experimentales llevaron a una conclusión completamente contraria: el universo se está expandiendo cada vez más rápido. Fue entonces cuando los físicos teóricos decidieron retomar la vieja idea de Einstein de que podía existir algo que actuase de “gravedad negativa” y fue entonces cuando plantearon la existencia de la Energía Oscura. Los físicos describen el efecto repulsivo de la energía oscura como una presión negativa. ¿Y qué es eso de la presión negativa? Agárrense a los sillones, por que lo que voy a contar ahora es, cuanto menos, complicado de asumir. Cuando introducimos un gas en una botella, éste ejerce un efecto sobre las paredes del recipiente, que tiende a expandirlas. Si la presión en el exterior de la botella iguala a la presión en el interior, la forma de la botella queda inalterada. En cambio, si la presión en el interior de la botella es mayor que en el exterior, la botella explota, y si la presión en el exterior es mayor que en el interior, la botella se deforma contrayéndose. Pues bien, la presión negativa hace justo lo contrario, es decir, cuando introducimos presión negativa en el interior de una botella, ésta se contrae. De acuerdo con la Relatividad General, la presión de un cuerpo contribuye a la acción gravitacional de éste sobre otros, al igual que lo hace su masa. Así, la energía oscura, al ejercer una presión negativa y, por tanto, contraria a la que generan el resto de las substancias, genera un efecto gravitacional contrario al que generan el resto de las substancias, es decir, una gravedad repulsiva.

El descubrimiento de la energía oscura ha tenido un enorme impacto en Astronomía. Ha permitido recalcular la edad del universo (la edad calculada antes de conocer la energía oscura daba como resultado que algunas estrellas fueran más antiguas que el propio universo, resultado del todo ilógico). También ha servido para arrojar algunas luces en cuanto al posible destino del universo aunque, en modo alguno, ha servido para decidir ente alguno de los muchos modelos postulados para el fin del universo.

La Materia Oscura

Uno de los mayores misterios de la Física moderna es entender la naturaleza de la materia oscura. Esta extraña forma de materia, que no interacciona con la radiación electromagnética y, por tanto, no puede ser detectada por los métodos tradicionales (no emite luz) tiene un efecto más que visible sobre su entorno, ya que provoca claros efectos gravitacionales observables en la materia visible a su alrededor.


La materia oscura fue encontrada por primera vez por Fritz Zwicky, del Instituto Tecnoĺogico de California. Zwicky, encontró que al aplicar el Teorema del Virial (una ecuación que relaciona la energía cinética de un sistema con su energía potencial y, por tanto, relaciona su velocidad con su masa) al cúmulo de galaxias Coma, se obtenían datos que indicaban que la masa del sisterma era unas 400 veces mayor a la esperada. Hoy sabemos que este enorme “excedente” de masa no es una rareza ni mucho menos, si no que, al contrario, se estima que el 23% del universo esté formado por materia oscura. Para legos en la materia, puede parecer que un 23% de materia oscura significa que la mayor parte del universo está formado por la materia que conocemos. Pues bien, resulta que la observable, constituye tan solo el 5% del universo. ¿Qué hay, entonces, del otro 72%?. Ese otro 72% está formado por otro misterio del que hablaremos en la próxima entrega: la energía oscura.


La composición de la materia oscura no es conocida, pero se especula que está formada por materia oscura bairónica (es decir, partículas que componen la materia ordinaria, tales como protones y neutrones, pero que forman estructuras no luminosas), y materia oscura no bariónica, la cual a su vez se divide en no bariónica caliente (neutrinos y otras partículas moviéndose a velocidades relativistas), no bariónica fría (neutrinos y otras partículas moviéndose a velocidades no relativistas), y la no bariónica templada. Además de neutrinos, la materia oscura podría estar formada por ortras partículas, como axiones o WIMPs, partículas cuya existencia aún no ha sido probada, y que, de existir, requerirían una ampliación del Modelo Estándar de la Física de Partículas.

Un efecto curioso de la materia oscura, es que parece curvar nuestra galaxia que, al contrario de lo que se pensaba hasta ahora, no es plana como un disco, sino que sufre un cierto alabeo. Este alabeo, fue inicialmente atribuido al efecto gravitatorio de las nubes de magallanes, pero, finalmente, se demostró que el efecto de dichas nubes era insuficiente para provocarlo. Se recurrió entonces a la atracción gravitacional de la materia oscura para explicar este fenómeno. Recientemente, se ha encontrado que la deformación de la galaxia se debe al efecto gravitatorio conjunto de las nubes de magallanes y la materia oscura. Esta deformación es bastante asimétrica, lo cual ha llevado a pensar que la cantidad de materia oscura a un lado de la Via Láctea es mucho mayor que a otro.

Para no faltar a la verdad, hay que destacar que, si bien la existencia de la materia oscura es el marco teórico mayormente aceptado en la física, no es, ni mucho menos, el único. Existen otras teorías que pretenden explicar estas anomalías gravitacionales sin necesidad de recurrir a la existencia de lo que algunos físicos aseguran que, junto con la energía oscura, constituye “un nuevo éter lumínico”.

LOS CUASICRISTALES, UN DESCUBRIMIENTO DE NOBEL.

Ayer concedieron el Premio Nobel de Química al profesor Dan Shechtman (Tel Aviv, 1941) , por el descubrimiento de los cuasicristales. Por eso, he decidido dedicar el resurgimiento de este blog (en el que desgraciadamente no he podido escribir nada hasta ahora) a este curioso estado de la materia. Pero para entender bien la revolución de los cuasicristales, primero hay que ver que es un cristal.

La definición tradicional de cristal era: Un cristal es una composición de átomos, moléculas o iones que se repiten de forma periódica en las tres dimensiones del espacio. Todos los cristales tienen una serie de características que dependen de su simetría, como la morfología externa y las propiedades físicas. Un aspecto muy importante en los cristales es que, al irradiarlos con Rayos X, estos presentan un patrón de difracción dado por una serie de puntos que guardan entre sí una relación de simetría. A partir de este diagrama de Rayos X es posible determinar la estructura del cristal.

Cristales de la proteína lisozima, cristalizada por el autor del blog.

En Abril de 1982, Dan Shechtman encontró que al hacer el estudio de difracción de Rayos X de unos cristales de una aleación de aluminio y manganeso, se obtenía un patrón de difracción propio de los cristales, pero con una peculiaridad: presentaba una simetría pentagonal, y es imposible crear una repetición periódica de pentágonos (si no me creéis, os recomiendo que le pidáis a un albañil que os recubra el suelo del baño con azulejos pentagonales, a ver qué pasa).

Es imposible construir una estructura periódica con pentágonos.

Los cuasicristales son materiales con orden de largo alcance perfecto, pero sin periodicidad de translación tridimensional. Lo primero se manifiesta en la presencia de puntos en el patrón de difracción y lo último, en la presencia de una simetría incompatible con la periodicidad translacional (por ejemplo,  la simetría pentagonal).

El descubrimiento de los cuasicristales fue enormemente controvertido. Al principio, la mayoría de los científicos rechazaron la idea de Shechtman. El gran físico, químico, y bioquímico, Linus Pauling, que había hecho grandes contribuciones a la cristalografía (una ciencia transversal, en la que físicos, químicos, geólogos y otros científicos trabajan para descubrir la estructura y las propiedades de los cristales), llegó a decir que no hay cuasicristales, hay cuasicientíficos.

No obstante, el tiempo le dio la razón Shechtman, y la existencia de los cuasicristales fue reconocida por toda la comunidad científica. Esto obligó a la Unión Internacional de Cristalografía a cambiar la definición de cristal, para poder incluir los descubrimientos del científico israelí. La nueva definición de cristal es: Un cristal es un sólido que produce un diagrama de difracción discreto. Esta nueva definición hace más hincapié en el experimento de difracción de Rayos X que en la simetría del cristal.

Finalmente, los cristalógrafos, a partir de la teoría del brillante matemático Royer Penrose, consiguieron demostrar que los cuasicristales sí que presentan simetría periódica, pero no en tres dimensiones, sino en cuatro. La proyección de esa estructura tetradimensional, al mundo tridimensional en el que vivimos, da lugar a simetrías que no son compatibles con una red periódica tridimensional.

Por fin, el 6 de Octubre de 2011, Dan Shechtman recibió el Premio Nobel de Química por descubrir los cuasicristales. Casi 30 años después de su descubrimiento.

Algunas similitudes entre los cuasicristales y los cristales clásicos:

    Exhiben caras marcadas

      Generan diagramas de difracción con picos afilados

      Pueden crecer de forma ordenada generando cristales incluso mayores que los periódicos

      Son estables termodinámicamente

Principales diferencias entre los cuasicristales y los cristales clásicos:

      Poseen simetrías incompatibles con la periodicidad

      Poseen propiedades físicas muy diferentes a las de los cristales periódicos (por ejemplo, hay cuasicristales metálicos con conductividades eléctrica y térmica muy bajas)