miércoles, 4 de julio de 2012

Un 4 de julio en la física...

       Hoy he sido persona, entre otras cosas, con la noticia de que el bosón de Higgs ha sido descubierto, así que ya que lo he dicho podría dejar de escribir; sin embargo, el titular de la noticia que enlazo es muy acertado (un punto a favor del periodista): el CERN confirma el hallazgo de una nueva partícula compatible con el bosón de Higgs

       Podemos pensar que, en una misma frase, los términos "confirmar", "hallazgo" y "bosón de Higgs" significan exactamente que ha sido innegablemente descubierta esta partícula, pero precisamente por eso también he destacado la palabra "compatible". Para quienes no somos expertos en física, vamos a empezar a ponernos al día...

       Una de las primeras teorías atómicas fue propuesta por el naturalista del siglo XIX John Dalton, quien, siguiendo la idea de la Escuela Atomista (del siglo V a.C., en la Antigua Grecia), postuló que la materia estaría compuesta por partículas elementales indivisibles (de hecho, "átomo" significa "sin partes"). Sin intención por mi parte de dar un repaso a las teorías atómicas posteriores, durante el siglo XX con el desarrollo de la física de partículas, se fue comprobando que los átomos están formados por electrones y un núcleo, constituido a su vez por protones y neutrones, que son el resultado (por si no lo imaginábamos) de la interacción de hadrones que (cómo no) están formados por quarks, leptones (por cierto, electrones y neutrinos son de este tipo de partícula) y nubes de gluones, que interactúan intercambiando bosones (y por cierto, los gluones son un tipo de bosón). Esta es una explicación simplista, puesto que actualmente las partículas subatómicas se cuentan en centenares, pero nos ayuda a darnos cuenta de que cada componente, considerado elemental en su día, ha sido deconstruido posteriormente (y también de que cada descubrimiento plantea nuevos enigmas). Para encajar mejor todo esto en nuestros esquemas clásicos de conocimiento, echémosle un vistazo a la siguiente tabla.


       Lo que he descrito anteriormente se resume en la parte izquierda de la tabla (la materia), donde se queda todo científico que sigue su formación universitaria por una vía ajena a la física o la química. Sin embargo, todo lo que oímos actualmente sobre el CERN, la dinámica cuántica, el bosón de Higgs y la Teoría del Todo está resumido en la parte derecha (las fuerzas), por eso nos cuesta tanto encajarlo en nuestros conocimientos de Física y Química de bachillerato.

       Como vemos en esa parte de la tabla (y como ya introduje en el post El Gran Diseño), existen cuatro formas fundamentales de interacción en la naturaleza: la gravitatoria (la más famosa, pero también más misteriosa, que permite la atracción entre cuerpos con energía), la electromagnética (que provoca la atracción o repulsión entre cuerpos con carga eléctrica), la nuclear fuerte (que permite la unión de quarks) y la nuclear débil (que modifica las propiedades de los quarks y los leptones, mediante el tráfico de bosones que he mencionado antes). Este es el Modelo Estándar de la física de partículas y, según él, cada una de las interacciones está mediada por unas partículas elementales concretas. El objetivo de la Teoría del Todo es unificar todas las teorías físicas encargadas de explicar cada uno de los cambios subatómicos descritos. 

       Y bien, ¿dónde entra en juego el famoso bosón de Higgs? Pues bien, ya estamos en disposición de aclarar el matiz que he introducido en el segundo párrafo. Durante las últimas décadas ha habido muchas propuestas de teorías candidatas a configurar una teoría del todo... algunas de ellas han dejado fuera alguna interacción (normalmente la gravitatoria) y algunas han propuesto la existencia de partículas aún no descubiertas. Una de ellas es la Teoría Electrodébil, desarrollada en los 60 del siglo XX por los físicos Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam y Steven Weinberg; según ella, tanto la interacción nuclear débil como la interacción electromagnética pueden unificarse (un pasito más hacia una teoría del todo); su mecanismo explicativo fue planteado de un modo teórico en 1964 por los físicos Peter Higgs (ya ha aparecido el nombre), François Englert y Robert Brout, quienes predijeron que, para que fuera posible, debía existir un bosón con unas propiedades dadas: (ahora sí) el bosón de Higgs o "partícula de Dios" (o como @Bel_Quira me dice que debería llamarse, "partícula de NO Dios"), cuya existencia explicaría por qué existe la masa. Y en el CERN se han dedicado, experimentalmente, a buscar un bosón con esas propiedades.

       Si queremos hacernos una idea fácil de qué son exactamente estos bosones, tenemos que pensar en unas partículas elementales que, de existir, están ocupando todo el espacio, incluso el llamado vacío. Debemos dejar atrás aquel dibujo de un átomo en los libros de texto sobre un fondo blanco, pues el fondo en realidad estaría lleno de puntitos. La masa de todas las partículas que existen es el resultado de la interacción de las mismas con esos puntitos (los bosones de Higgs, y la masa de los bosones de Higgs resulta de sus interacciones con otros bosones de Higgs).


       Ahora sí podemos entender por qué en el primer párrafo de este post he destacado la palabra "compatible". Los grupos CMS y ATLAS, en investigaciones independientes, han descubierto un bosón que cumple las condiciones dadas por Higgs hace casi cincuenta años, con unos niveles de significación de 4'9σ y 5'0σ, respectivamente.

       Los niveles de significación estadística se utilizan en investigación científica para indicar la seguridad del hallazgo. Suelen expresarse en porcentajes; así, un nivel de significación de 1% indica que tenemos una seguridad del 99% de que los resultados no han sido casuales. En física de partículas y física nuclear, por otro lado, suelen expresarse en unidades de Desviación Típica (σ) de la Distribución Normal, si bien puede traducirse; en este caso, un nivel de 5σ significa que la probabilidad de haber obtenido estos resultados por casualidad es de 0'00006%, o sea, que la seguridad de los resultados es de un 99'99994%.

Para los más inquietos, esta es la expresión que permite traducir de σ (Desviación Típica) a α (Nivel de significación), donde erf es la función matemática de error, y n es el valor de la desviación.

       Y esto no acaba aquí, ahora queda seguir investigando para comprobar si efectivamente este bosón descubierto cumple todas las condiciones predichas, admirar a Higgs y Englert como muy probables candidatos a Premio Nobel de Física si esto es así y esperar a que en la Wikipedia se incluya este descubrimiento en la fecha del 4 de julio (hasta ahora solo hay tres eventos científico-tecnológicos en esta fecha, los demás, ¡cómo no!, son efemérides políticas y socioeconómicas, como si la ciencia no influyera en esos aspectos), ¡os animo a editarla!


P.S.: El personaje Sheldon Cooper, de la serie The Big Bang Theory, muy probablemente (aunque no conozco el nivel de significación) tenga ese nombre como homenaje al mencionado Sheldon Lee Glashow, Premio Nobel de Física en 1979, precisamente por sus trabajos en la Teoría Electrodébil.

1 comentario:

BioSamu_ dijo...

... Y la Wikipedia ya ha sido editada con la correspondiente parsimonia. ¡Muchas gracias!

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