El Higgs, un pont cap a la nova física

El descobriment del bosó de Higgs el 4 de juliol de 2012 suposa la confirmació del Model Estàndard. Però més que el final d’una etapa, pot representar l’inici d’una nova era de la física, similar a la que es va viure fa cent anys, a començament del segle XX.

Model Estàndard
El Model Estàndard de la física ens proporciona una visió del món que ens envolta basada en unes idees relativament senzilles:

– Totes les coses que tenim al voltant nostre estan formades només per tres partícules que podem anomenar per les lletres: e, u, d, o també amb els seus noms: electrons, quark u i quark d. Els electrons són els mateixos de l’electricitat que consumim cada dia, que fa funcionar les llums, els ordinadors, els motors, … i de la que ens acaben de pujar el preu ara a començament d’any. Els quarks u i d són els components dels protons i neutrons que es troben dins del nucli de l’àtom del que ens parlaven al col·legi o a l’institut. Ja ho recordem bé, totes les coses estan formades per àtoms (es poden trobar al voltant de 100 tipus diferents a la natura) i els àtoms tenen dues parts, l’escorça amb els electrons i el nucli amb els protons i neutrons,… Tot això és cert, però en comptes de recordar els àtoms de la Taula Periòdica, una idea més simple és aquesta de que tot el que ens envolta està format només per aquestes tres partícules: e, u, d.

Model Estàndard. Imatge Wikimedia Commons.

Model Estàndard. Imatge Wikimedia Commons.

– Els físics expliquen que s’ha d’afegir una altra partícula, el neutrí, per tenir la família completa. Però aquest neutrí no ens el trobarem fàcilment ja que pràcticament no interacciona amb la matèria ordinària. A més a més, s’hauria d’afegir dues famílies més, o generacions com diuen ells, amb unes partícules de propietats molt similars a les anteriors però de massa molt superior (Veure quadre).

– Ara, si ens fixem en que les coses al nostre voltant canvien, es mouen, o es transformen, ens cal una explicació per les forces que produeixen aquestes transformacions. Els físics ho expliquen a través del que anomenen les forces fonamentals de la natura. Aquestes forces tenen associades unes partícules, molt diferents de les que hem citat fins ara, que són els bosons o partícules portadores de força, el més conegut dels quals és el fotó. El fotó és la partícula portadora de les accions electromagnètiques, que són les més familiars per nosaltres: la llum, sigui la del Sol o la d’una bombeta, els colors dels objectes, el corrent elèctric, el propi funcionament del nostre cos o de qualsevol enginy elèctric o mecànic, les reaccions químiques, … són diferents modalitats d’accions electromagnètiques. Però la partícula portadora de força més famosa en aquests moments és el bosó de Higgs, descobert fa un any i mig, les manifestacions del qual al LHC, l’accelerador de partícules del CERN, s’estan encara estudiant. El bosó de Higgs és la partícula associada a l’anomenat camp de Higgs, que és present a tot l’univers i responsable de la massa de les partícules que la tenen, com les tres que hem citat e, u, d i fins i tot el neutrí. Hi ha altres bosons o partícules portadores més, com són el gravitó, associat a la gravetat i no detectat encara, i altres associats a fenòmens que transcorren dins del nucli atòmic (els gluons associats a les interaccions fortes i els bosons Z, W+ i W- associats a les interaccions febles). De fet, molts textos no incloïen el bosó de Higgs dins de les partícules portadores, perquè encara no havia estat descobert i en canvi si incloïen el gravitó, que tampoc ha estat descobert. La raó pot ser que de l’existència del camp de Higgs encara és dubtava i, en canvi, ningú dubta de l’existència de la gravetat i tothom entén la dificultat de la detecció del gravitó.

Com explicar què és el Higgs a un ministre?
François Englert i Peter Higgs, van postulat el 1964 l’existència d’un camp que estaria present a tot l’espai, interaccionaria amb altres partícules i seria responsable de la seva massa. La partícula associada a aquest camp va ser coneguda com bosó de Higgs. Diferents estudis havien previst que el Higgs hauria de tenir una massa de 125 GeV (per la coneguda fórmula d’Einstein E = m.c² és possible expressar una massa en termes d’energia), molt superior a la dels altres bosons. Els bosons de la interacció feble, descoberts per Carlo Rubbia el 1983, al CERN i que li van valdre el premi Nobel el 1984, tenen masses de 80 (els W+ i W-) i 91 (el Z) GeV, de l’ordre de 100 vegades la massa del protó (2).
Per a detectar bosons de masses superiors era necessari disposar d’acceleradors de partícules més potents i d’aquí la necessitat de construir un de nou. Així que des de mitjans dels 1980 van començar les gestions per procurar la construcció d’un nou accelerador. Aquestes gestions passaven per convèncer els països membres del CERN perquè aportessin els fons necessaris. Però, com explicar als polítics què és el Higgs, que podria ser descobert amb el nou accelerador?.

Anècdota molt coneguda: si en el hall d’un hotel ple de gent hi ha Angelina Jolie i jo mateix i volem anar cap a la porta, la gent que s’adoni de la presència de Jolie aniran al seu voltant i no la deixaran caminar tant fàcilment com a mi, que probablement ningú em farà cas. Les dificultats de moviment de la Jolie representen una major massa, major inèrcia al moviment, que les que pugui tenir jo. En el cas que no existís el camp de Higgs, si no hagués ningú al hall del hotel, tots dos ens podríem moure amb tota llibertat i no es posaria de manifest la nostra diferent massa. Aquesta explicació va ser donada al ministre de Ciència del Regne Unit el 1993 per un grup de físics del CERN en una visita per presentar-li el projecte del LHC i demanar-li col·laboració econòmica evidentment. Una de les raons per a la construcció del LHC era que, amb ell, esperaven poder detectar el bosó de Higgs. El ministre no va entendre res del que significava el Higgs, però els va reptar a que, a canvi d’una ampolla de xampany, li presentessin una explicació en un sol foli. David Miller de la University College de Londres i quatre col·legues més van imaginar aquesta atractiva metàfora, posant a l’aleshores primera ministra Margaret Tatcher en lloc de la Jolie. El 1991 el Consell del CERN va aprovar una resolució per estudiar el projecte LHC i el 1994 el va aprovar definitivament. Va ser construit entre 1998 i 2008. (2)

El premi Nobel de física 2013, just després del descobriment experimental de la partícula, va ser per Englert i Higgs.  La notícia de la concessió del premi va ser recollida a la web d’Astrobanyoles (3)

El descobriment del Higgs
El LHC va aprofitar el túnel circular de l’antic LEP (accelerador d’electrons), de 27 km de llarg. Com que es tractava de fer xocar feixos de protons, s’havien d’accelerar per separat en dos túnels independents, cadascun de 27 km de longitud i es van fer d’una secció com per permetre el pas d’una pilota de ping-pong. De fet es van provar fent circular un detector dins d’una esfera de la mida d’una pilota de ping-pong. Els feixos de protons que circulen per l’interior de cada túnel a velocitat propera a la de la llum i a 3,4 K de temperatura, tenen un diàmetre d’1 mm i encara es fan més petits, de 25 micres, quan es dirigeixen cap a la col·lisió a l’interior dels detectors ATLAS i CMS.

El LHC va començar a funcionar el 10 de setembre de 2008 i el 19 del mateix mes es va produir un accident en els imants, que van provocar una aturada de més d’un any. El 2010 ja va funcionar en proves i tot el 2011 ja va funcionar a ple rendiment, dedicat a la recerca del Higgs. Però els veritables problemes comencen quan ja tens el Higgs. Com saps que el tens?

En el descobriment del Higgs no hi ha res de semblant a una traça en una pantalla. La seva vida mitjana és de 10^-21 segons, el que vol dir que recorre menys d’una mil-milionèsima de mm des de que es crea fins que es destrueix i ni tan sols els millors detectors actuals el poden observar. Però si es pot veure el resultat de la seva pròpia desintegració. El problema és distingir amb seguretat la seva empremta de l’enorme “soroll de fons”. Altre qüestió és que el Higgs es pot desintegrar de diferents maneres:
– El 70% de les vegades ho fa en forma de quarks i gluons, que condensen en forma d’hadrons (conjunts de quarks) que són els que es detecten. Però un resultat similar el donen molts altres processos, així que és difícil assegurar que allò que s’ha detectat provingui d’un Higgs.
– Altres vegades es desintegra en forma de bosons W i Z, els de la interacció feble, però tampoc és un resultat massa net.
– Algunes vegades, 1%, dona lloc a dos leptons (electrons o similars, veure quadre) i unes poques vegades, el 0,01%, es desintegra en quatre leptons. Aquesta és una de les ocasions que permet afirmar que provenen del Higgs (La imatge obtinguda al detector ATLAS mostra una d’aquestes ocasions).

Desintegració del bosó de Higgs en 4 leptons, Imatge: ATLAS - CERN

Desintegració del bosó de Higgs en 4 leptons, Imatge: ATLAS – CERN

– Per últim, també hi ha ocasions, 0,2%, en que es produeixen dos fotons i és la senyal més clara de que realment s’ha generat un Higgs que s’ha desintegrat immediatament. (La segona imatge, obtinguda al detector CMS mostra una d’aquestes ocasions).

Desintegració del bosó de Higgs en dos fotons. Imatge: CMS - CERN

Desintegració del bosó de Higgs en dos fotons. Imatge: CMS – CERN

El 4 de juliol de 2012, Ralf Heuer, director general del CERN, Fabiola Gianotti, portaveu de l’ATLAS i Joe Incandela, portaveu del CMS, van anunciar el descobriment del bosó de Higgs, com a resultat de l’anàlisi dels experiments realitzats durant l’últim any.
Les dades van ser posades a la xarxa del CERN, a disposició de tots els físics. En els propers mesos o anys, el detallat estudi dels resultats donaran els seus fruits en forma de nous avenços. (2) (4) (5) (6)

Final o principi?
La confirmació del Model Estàndard per el descobriment del bosó de Higgs situa a la física actual en una posició similar a la de fa cent anys. Es disposa d’un cos teòric, el Model Estàndard, que ha tingut prou èxit en la descripció del món, però que deixa aspectes per explicar que no són petits, com el cas de la matèria fosca a la que després ens referirem.

A finals del segle XIX, el cos teòric de la física es podia considerar quasi complert, amb la dinàmica analítica de Lagrange i Hamilton, formulacions matemàtiques de la física desenvolupada a partir de les lleis de Newton, i la teoria electromagnètica de Maxwell, que explicava el món fins feia poc desconegut de les ones electromagnètiques i la llum, com una d’aquestes ones. Hi havia però detalls no solucionats, com el que es coneixia com la “catàstrofe ultraviolada”, predicció teòrica respecte l’energia de la radiació emesa per un cos, que no estava d’acord amb les dades experimentals o la contradicció respecte la velocitat de la llum, que per la mecànica clàssica depenia del sistema de referència per a la seva mesura i, en canvi, per l’electromagnetisme era constant.

Max Plank, en un article presentat a l’Acadèmia de Ciències de Berlin el 1900 i publicat el 1901 (7), proposa la quantització de l’energia per donar una solució a la “catàstrofe ultraviolada”.
El 1905, Einstein proposa la Teoria de la Relativitat (8) que solucionava el problema de la contradicció entre la dinàmica i l’electromagnetisme respecte la velocitat de la llum.
Aquestes dues noves teories, no només van solucionar els dos problemes citats, sinó que van revolucionar la ciència i van permetre avenços que encara avui dia s’estan produint.

La matèria fosca
Descoberta per Fritz Zwicky en el cúmul de galàxies de la Coma el 1933.
Redescoberta per Vera Rubin i Kent Ford, astrònoms americans el 1970 estudiant els núvols de pols de la galàxia d’Andròmeda. Segons la missió WMAP de la NASA, l’univers te: 4,6% matèria normal, 23% de matèria fosca i 72% d’energia fosca. El 30 de maig de 2013 ja vam dedicar l’espai de descobriments del “Sopa d’estrelles” a la matèria fosca (9).

Els primers instants de l’univers
Sean Carroll al seu llibre “La partícula al final del universo” (2), explica l’evolució de la matèria a l’univers, amb un exemple basat en el funcionament d’un forn que contè una mica de la matèria habitual, al que li podem graduar la temperatura, des dels 250 ºC = 0,04 eV habituals en els forns, fins al 500 GeV.
a uns pocs eV els electrons se separen dels nuclis
a MeV els propis nuclis es descomposen en protons i neutrons
a 500 GeV el forn estarà ple de quarks, bosons, leptons, ….

Si ara baixem gradualment la temperatura, es produeixen els fenòmens inversos, tornant a formar-se els protons i neutrons, ajuntant-se de nou per a formar nuclis atòmics i al final obtindríem novament la matèria inicial, encara que no amb el mateix aspecte però si amb les mateixes partícules.  A l’univers això no passaria exactament igual perquè s’hauria de comptar amb l’efecte de l’expansió des del moment del Big Bang. Utilitzant les prediccions del Model Estàndard i sense comptar amb el Higgs, l’evolució de l’univers des del Big Bang fins ara donaria com a resultat una distribució de matèria com la que coneixem actualment.

Si imaginem el mateix procediment, però afegint la presència d’una nova partícula, la WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), que se suposa pot formar la matèria fosca i que interacciona amb les darreres partícules recentment trobades, W, Z i Higgs, d’una massa entre 10 i 1000 GeV, la predicció amb el Model Estàndard ens dona una proporció actual de matèria fosca com la que sabem que hi ha. Aquest resultat esperona el físics a fer noves prediccions teòriques i a proposar noves experimentacions. (2)

L’article de la revista Nature d’Eugenie Samuel Reich (10) dona referència d’un article de Geraldine Servant i Sean Tulin publicat el passat octubre a Physical Review Letters (11) en el que detallen aquesta hipòtesi de la que parla Sean Carroll. Geraldine Servant forma part del grup d’investigadors de l’Institut de Física d’Altes Energies de la Universitat Autònoma de Barcelona.

Fonts d’informació utilitzades:
(1) Model Estàndard de física (en català).
http://www.physicsmasterclasses.org/exercises/bonn1/ct/modelestandard.html
(2) Sean Carroll, “La partícula al final del universo”. Ed. Debate. 2013.
http://preposterousuniverse.com/particle/
(3) Premi Nobel de física 2013. Notícia a la web d’Astrobanyoles, enviada per Josep Duran Roura el 09.10.2013.    http://www.astrobanyoles.org/article.php?num_art=536&print=1
(4) La recerca del bosó de Higgs. Pàgina del CERN
http://home.web.cern.ch/about/physics/search-higgs-boson
(5) Fabiola Gianotti, portaveu de l’ATLAS – CERN   http://cds.cern.ch/record/1459466
(6) Joe Incandela, portaveu del CMS – CERN  http://cds.cern.ch/record/1458886?ln=en
(7) Max Planck, “Ueber das Gesetz der Energieverteilung im Normalspectrum”, Annalen der Physik, 1901,
http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/historic-papers/1901_309_553-563.pdf
(8) Albert Einstein, “Zur Elektrodynamik bewegter Körper”, Annalen der Physik, 1905,
http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1905_17_891-921.pdf
(9) La matèria fosca Blog “Descobriment”, http://www.deciencia.net/descobriment/?p=326
(10) Eugenie Samuel Reich, “’Higgsogenesis’ proposed to explain dark matter”, Nature, 04.10.2013.
http://www.nature.com/news/higgsogenesis-proposed-to-explain-dark-matter-1.13883
(11) Geraldine Servant, Sean Tulin, “Baryogenesis and Dark Matter through a Higgs Asymmetry”,
Physical Review Letters, 10.10.2013.  http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i15/e151601

Emissió de Ràdio Banyoles, dins del programa d’Astrobanyoles
Espai del convidat de “Sopa d’estrelles” del 16 de gener de 2014.

Veure Article aparegut a El País el 08.03.2014 a la Secció Babelia.

 

Aquesta entrada ha esta publicada en cosmologia, física. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Els comentaris estan tancats.