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1 Noche de los Investigadores, Museo Ciencia VA, 2012 TODO (?) SOBRE EL BOS ´ ON DE HIGGS Mariano Santander Universidad de Valladolid

TODO (?) SOBRE EL BOSON DE HIGGS · 2012-12-02 · SOBRE EL BOSON DE HIGGS Mariano Santander Universidad de Valladolid 1. 2 CERN, 4 de Julio de 2012. 2. 3 400 anos~ de Ciencia (solamente!)

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Noche de los Investigadores, Museo Ciencia VA, 2012

TODO (?) SOBRE EL BOSON DE HIGGS

Mariano Santander Universidad de Valladolid

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CERN, 4 de Julio de 2012.

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400 anos de Ciencia (solamente!)

• Desde ‘Mysterium Cosmographicum’ de Kepler 1596, hastael Octete del actual Modelo Standard 2012

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Kepler ‘cuesta arriba’, 1600

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Feynmann, 1962

• ‘Si todo el conocimiento cien-tıfico fuera a ser destrui-do en un cataclismo, y sepudiera transmitir una solafrase a la siguiente genera-cion de seres, ¿que senten-cia contendrıa el maximode informacion en el mıni-mo de palabras?’

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Feynmann, 1962

• La eleccion de Feynman esla hipotesis atomica, la ideade que todas las cosas estanhechas de atomos, dicien-do:

‘Como veran, en esta sola

sentencia hay una enormi-

dad de informacion sobre

el mundo, a poco que se

piense y se ponga en ello

algo de imaginacion’.

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¿Es posible ‘ver’ los atomos?

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Ingredientes para jugar a hacer atomos

• Protones, Neutrones y Electrones

? Partıculas de Materia.

? Son Fermiones

• Fotones

? Partıculas de luz

? Son Bosones.

• Protones, Neutrones y Electrones agrupados segun los pa-trones que la Naturaleza ha escogido forman atomos queemiten y absorben luz

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¿Y esto es todo?

• Todos los elementos quımicos son diferentes agrupacionesde partıculas de estos tres tipos

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• Impresionante variedad resultante con muy pocos ‘ingredien-tes’ basicos

• La materia en el mundo esta formada, en ultima instancia,por unos pocos constituyentes basicos

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Algunas fechas y algunos hechos para entender el atomo

• Electron Postulado por G. Stoney 1874. Descubierto experimental-

mente por J.J. Thomson 1894.

• Proton Previsto por Goldstein 1896. Descubierto experimentalmente

por Rutherford en 1918.

• Neutron Propuesto por Rutherford 1920. Descubierto experimental-

mente por Chadwick en 1932.

• Foton Observado en forma de luz desde la Antiguedad mas remota.

Postulado como partıcula por Einstein en 1905, bautizado por Lewis

en 1908.

• Los atomos se combinan de diferentes maneras: Quımica

• Algunos atomos son estables; otros son inestables

? ¿Son ‘estables’ los electrones, protones, neutrones?

? Y si no son estables, ¿de que estan constituıdos?

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Que fuerzas ligan los ingredientes del atomo?

• Los electrones estan ligados al nucleo por atraccion electro-magnetica

? Completamente entendida con la Mecanica Cuantica apartir de los 1930. Los espectros de emision y absorcionde luz por los atomos se explican perfectamente.

• Los protones y los neutrones que conjuntamente forman elnucleo deben estar ligados entre sı por otras fuerzas

? Entender aceptablemente estas fuerzas ha requerido otros70 anos

? El modelo que describe esta inteligencia se conoce comoModelo Estandar de las partıculas elementales

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El Zoo de las partıculas I: Las antipartıculas

• En 1928 P.A.M. Dirac predice la existencia de antielectrones.Descubiertos experimentalmente por Anderson en 1932.

• La idea de antipartıculas se extiende a todas las partıculasAsı tenemos las parejas p, p, n, n, e, e.

• El antiproton, antineutron y antielectron (positron) puedenformar antiatomos y antimateria

• No hay antimateria a mano pues se aniquila con la materiaproduciendo radiacion e + e→ 2γ

• Es posible crear antimateria en muy pequenas cantidades

• Descubrimiento experimental de antiproton y antineutron,E. Segre y O. Chamberlain en 1955

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El Zoo de las partıculas II ¿Quien ha pedido este plato?

• A partir de 1932 comienza una serie de descubrimientos denuevas partıculas

•Neutrino Predicho por Pauli en 1930 en relacion con la desintegracion

beta de los neutrones n→ p+e+νe. Descubierto experimentalmente

por Cowan y Reines en 1956.

•Muon Previsto por Yukawa en 1934, observado en la radiacion cosmi-

ca por Anderson y Neddermeyer en 1936

• .....

• El bestiario de las nuevas partıculas (y sus antipartıculas)constaba ya de varias decenas de miembros a finales de los1950

? ¿Tantas partıculas ‘elementales’?

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Orden en el Zoo: El Camino octuple

• Propuesto en 1962. Es una de las bases del actual ModeloEstandar de las partıculas elementales.

? Protones y Neutrones no son partıculas elementales. Estancompuestos de tres Quarks

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Orden en el Zoo: Quarks y sus combinaciones

• Hay tres familias de Quarks, (llamadas generaciones), cadauna formada por dos quarks, con un total de seis partıculas.

? Casi todas las partıculas del Zoo no son elementales. Todasestan compuestas de Quarks excepto ...

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Orden en el Zoo: Leptones

• ... los Electrones y Neutrinos que son tambien elementales

? Hay un total de seis partıculas elementales en la familiadel electron, colectivamente llamados leptones.

? Curiosamente, tambien tres generaciones de leptones

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Las fuerzas Electromagneticas

• ¿Que papel juega el foton?

? El foton es un boson

? Es el portador de la interaccion electromagnetica

? Es el quantum del campo electromagnetico

• En teorıa cuantica, campos y partıculas son dos aspectos deun sola realidad experimental

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Las fuerzas Nucleares debiles

• Para las fuerzas nucleares debiles, hay tres partıculas porta-doras distintas, analogas al foton

? Los bosones cargados W± predichos por J. Schwinger en1959 y descubiertos en el CERN en 1983

? El boson neutro Z0 predicho por S.L. Glashow en 1961 y

descubierto en el CERN en 1983

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Las fuerzas Nucleares fuertes

• Para las fuerzas nucleares fuertes, los quantos se llamangluones.

? Son bosones que mantienen unidos a los quarks en el in-terior de los protones y neutrones

? La fuerza entre quarks es realmente extrana

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Los constituyentes del modelo estandar

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El enigma de las masas I: ¿porque son tan diferentes?

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El enigma de las masas II: ¿porque W± y Z0 tienen masa?

• En los 1960, la teorıa requerıa que todos los bosones porta-dores fueran de masa nula, como el foton

? Incompatible con el alcance de las fuerzas nucleares debi-les, cuyos portadores deben tener masa bastante grande

• De manera practicamente simultanea, a mediados de los1960 aparecieron varios artıculos proponiendo un mecanis-mo consistente con la teorıa, basado en un nuevo campo,y que permitirıa que los bosones W± y Z0 tuvieran masa

...en todo el espacio existe un campo que interacciona con

TODAS las partıculas fundamentales. El foton no interacciona

con el campo y por eso tiene masa nula. El electron interactua

muy poco con ese campo y por eso tiene una masa tan pequena.

El quark “cima” interacciona mucho con el campo y por eso

tiene una masa mucho mayor...

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El enigma de las masas III: ¿porque W± y Z0 tienen masa?

• El mecanismo es simple y universal. Puede servir tambienpara explicar la masa de todas las demas partıculas

...modifica la estructura del vacıo, como ocurre con cualquier

otro campo (el vacıo en mecanica cuantica es mucho mas com-

plejo y divertido de lo que su nombre parece sugerir)

• El artıculo mas explıcito en efectuar la prediccion de que unanueva partıcula deberıa existir fue el de P. Higgs

? Una historia curiosa

• El boson de Higgs era la unica partıcula que podıa existirmuy poco despues del Big Bang

• Ahora esta oculta

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¿Quien predijo la existencia del boson de Higgs?

• El boson de Higgs es una pieza basica del puzzle que nece-sitamos para entender el mundo

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¿Quien predijo la existencia del boson de Higgs?

• Los otros padres: Englert, Brout, Guralnik, Hagen, Kibble

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Historia del modelo estandar, con el Higgs al fondo

• 1961, Primera version de una teorıa de las fuerzas electro-magneticas unificadas con las nucleares debiles, Sheldon L.Glashow

• 1962, Propuesta del Camino Octuple como una teorıa de lasfuerzas nucleares fuertes, Gell Mann y Ne’eman

• 1964, Higgs y otros proponen la idea del campo de Higgs ydel conocido como mecanismo de Higgs

• 1967, Steven Weinberg y Abdus Salam proponen una mejorade la teorıa de Glashow que conduce a la llamada teorıaelectrodebil

• 1973, Se encuentran las primeras evidencias indirectas delboson Z.

? Si se quiere que la teorıa sea consistente, el mecanismode Higgs parece necesario

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Historia del modelo estandar, con el Higgs al fondo

• 1983, Se confirma la existencia de los bosones W± y Z0, y seencuentra (como se esperaba) que tienen masa bastantealta.

? Si se quiere que la teorıa sea consistente, el mecanismode Higgs es imprescindible

• El actual Modelo Estandar de las partıculas elementales re-quiere que el Higgs exista

? Pero para un fısico lo importante no es tanto verificar suteorıa cuanto saber como es la Naturaleza

? Comienza el diseno de aceleradores capaces de encontrarel boson de Higgs

• 1989, Comienza la busqueda del Higgs en el LEP del CERN

• 1994, se acuerda construir en el CERN el gran aceleradorLHC

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Historia del modelo estandar, con el Higgs al fondo

• 2004, El Tevatron se suma a la busqueda del Higgs

• 2008, Acaba la construccion y se inicia la actividad en el GranColisionador de Hadrones, el LHC, el nuevo colisionador delCERN

• 2012, Dos experimentos independientes en el LHC, llamadosCMS y ATLAS, proporcionan evidencia estadısticamenteabrumadora de la existencia de una nueva partıcula quepodrıa ser el boson de Higgs.

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¿Que papel tiene el boson de Higgs en la comedia del mundo?

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¿Porque ha sido tan difıcil encontrarlo?

• Su masa es bastante grande. Requiere una cantidad enormede energıa para su creacion

? Esta energıa solo se puede aportar haciendo colisionar doshaces de protones previamente acelerados hasta altısimasvelocidades

? Y aun ası, la colision produce un Higgs una fraccion ınfimade las veces

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¿Por que ha sido tan difıcil encontrarlo?

• El boson de Higgs es extremadamente inestable

? Una vez creado se desintegra tras un brevısimo intervalode tiempo

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¿Por que ha sido tan difıcil encontrarlo?

• Los detectores son de este tamano

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¿Por que ha sido tan difıcil encontrarlo?

• ¿Y que se produce en cada colision?

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¿Por que ha sido tan difıcil encontrarlo?

• Dos inmensos detectores, ATLAS y CMS, que registran da-tos de manera totalmente independiente

• Sistemas informaticos avanzadısimos de registro y calculo:Grid computing

• Analisis de los datos se realiza de forma ‘ciega’: los datos nose examinan hasta que los criterios de analisis hayan sidocompletamente evaluados y aprobados.

• El pasado 4 de julio, el CERN anuncio que se ha encontrado‘una nueva partıcula compatible con el boson de Higgs,con una masa de unos 125 GeV’.

? La sequedad y concision del lenguaje del anuncio oficialno debe hacer perder de vista la impresionante cantidady calidad de tecnologıa, ingenierıa, diseno y control sobrelos procedimientos de medicion y analisis que hay detras.

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¿Por que es importante?

• Si se encuentra, porque nos confirma que el Modelo estandares esencialmente correcto

• Si no se encontrara, porque nos obligarıa a reexplorar y re-formular nuestras teorıas

• En ambos casos, porque es una etapa en una busqueda

• ¿No es esta una busqueda en infinita regresion hacia mas ymas niveles de ‘elemental’?

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¿Afectara este descubrimiento a nuestra vida cotidiana?

• De manera inmediata, con seguridad no

? En el futuro, ¿quien sabe?

• Metodos de datacion basados en la radioactividad

? Los positrones (antielectrones) y la PET (tomografıa poremision de positrones)

? Cerca del 30 % del PIB de Estados Unidos depende deproductos de tecnologıa basada en la Mecanica Cuantica:Laser, Microelectronica, ....

? Investigaciones aparentemente abstractas pueden conducira avances tecnologicos imprevistos y en algunos casoscon muy poco retraso: Magnetoresistencia gigante y laexplosion en la capacidad de los discos duros

? Desarrollos industriales directos: Imanes superconducto-res

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¿Por que se debe invertir en Ciencia?

...Pero en la actual situacion, en la que los antiguas ‘cantida-

des astronomicas’ han sido superadas de lejos por las nuevas

‘cantidades economicas’, es tambien nuestra obligacion como

investigadores intentar hacer llegar a nuestros dirigentes polıti-

cos la conviccion de que cortar las inversiones en educacion y

en ciencia, en toda la ciencia, es un autentico suicidio que, si

no se remedia en breve, nos llevara como paıs por un atajo a

algun triste lugar en medio de la irrelevancia y conducira al

exilio a los mejores entre nuestra actual generacion de jovenes

excelentemente formados.

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Y bien, ya se ha encontrado. Y no es el Higgs: ¿Ahora que?

• Si resultara que la partıcula descubierta no es exactamenteel Higgs que predice el modelo estandar....

? ... ningun fısico dira: ‘no es lo que yo esperaba, que nocuenten conmigo para estudiar eso’. Mas bien diran, se-guramente encantados y excitados: ‘¿y que es lo que hayahı, pues?’

? ... aunque la dificultad estarıa en entender como es posibleque el impresionante poder predictivo que ha mostradoel modelo estandar ocurra en un modelo profundamenteequivocado. Esto tampoco parece demasiado probable.

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Y bien, ya se ha encontrado. Y es el Higgs: ¿Ahora que?

• Confirmar las restantes propiedades del Higgs: spin, canalesde desintegracion, .....

? Modelo estandar: un buen historial de predicciones y con-firmaciones

• El LHC tiene por delante 20 anos

• Hay varias teorıas alternativas que involucran mas partıculasy posiblemente varios bosones de Higgs

• El Modelo estandar no incluye a la gravedad, cuyo bosonportador serıa el graviton

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¿Debemos invertir recursos en este tipo de investigaciones?

? La actual Internet nacio en el CERN

? La riqueza economica generada hoy por Internet es mayorque lo que se ha invertido en el CERN en toda su historia

? La nueva tennologıa de Grid Computing, que sera la In-ternet 2, se esta gestando en gran parte en el CERNactualmente

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Freeman Dyson sobre Prospectiva Cientıfica

• Freeman Dyson en varias de sus interesantes obras de pros-pectiva cientıfica, como su aconsejable ‘Infinity in all direc-tions’: la evidencia historica de que disponemos muestra,sin asomo de duda, que no se puede preveer donde, como ycuando van a surgir las ideas, desarrollos o descubrimientosrealmente importantes.

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Porque la llaman Partıcula de Dios

• Origen del nombre: El libro de ciencia popular ’The GODparticle’, de Leon Lederman, 1993

• Leyenda urbana Leon Lederman querıa llamarla ‘la partıcula mal-

dita’, pero su editor cambio el tıtulo.

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Saber mas sobre la fısica de partıculas

• Francisco Yndurain, Electrones, neutrinos y quarks: La fısica

de partıculas ante el nuevo milenio. Editorial Crıtica, 2006.

• Leon Lederman y Dick Teresi, La partıcula divina: Si el univer-

so es la respuesta, ¿cual es la pregunta?. Ed. Crıtica, 2007.

• Gerard t’Hooft, Partıculas elementales: En busca de las estruc-

turas mas pequenas del universo. Ed. Crıtica, 2008.

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