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Origen del universo. Bosón de Higgs
Raúl Jiménez Tizón
El origen del universo es el instante en que apareció toda la materia y la energía que existe actualmente en el Universo.
Existen diversas teorías acerca de su origen. Las más aceptadas son la teoría del Big Bang y la teoría inflacionaria, ambas complementarias.
TEORÍA DEL BIG BANGEl universo surge de una explosión inicial que ocasionó la expansión de la materia desde un estado de condensación extrema.
TEORÍA DE LA INFLACIÓNPretende explicar la rápida expansión que sufrió el universo en sus primeros momentos, y que todavía continúa. Trata de resolver problemas que quedan con la teoría del Big Bang.
Todo surge a partir de una bola de fuego muy caliente, y más pequeña que la punta de un alfiler.
Todo el universo se crea en un segundo tras el
Big bang
¿Qué sucede en esas primeras fracciones de tiempo?
Tras el Big Bang se distinguen varias etapas1. Singularidad primigenia.2. Era de Planck.3. Era de la Gran Unificación.4. Era inflacionaria.5. Era electrodébil.6. Era de los quarks.7. Era de los hadrones.8. Era de los leptones.9. Era radiactiva.10. Era estelar.
SINGULARIDAD PRIMIGENIA
ERA DE PLANCK
Tiempo 0
Todo el universo se concentra en un punto, con un tamaño diminuto y una temperatura muy elevada. Tan solo se especula sobre el origen de esta singularidad y lo que había antes.
Tiempo 0 – 10-43s
Las 4 fuerzas fundamentales: nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitatoria, se encuentran unidas en una única superfuerza. No existen las partículas elementales.
ERA DE LA GRAN UNIFICACIÓN
ERA INFLACIONARIA
Tiempo 10-43 - 10-36s
El universo comienza a expandirse y disminuir la temperatura. Se forma un caldo de partículas y antipartículas de elevada densidad. Se separa la gravedad de la superfuerza.
Tiempo 10-36 – 10-32s
Se separa la interacción nuclear fuerte, quedando la fuerza electrodébil.El espacio, muy inestable, se expande potencialmente, con una velocidad mayor que la luz. Al terminar este periodo se forman partículas subatómicas: quarks. Aparece la materia y la antimateria, que chocan y se destruyen entre sí, formando energía. Se da la bariogénesis: asimetría por la que la materia gana a la antimateria.
ERA ELECTRODÉBIL
ERA DE LOS QUARKS
Tiempo 10-36 - 10-12s
La inflación se produce durante esta era. La fuerza nuclear débil y la electromagnética se separan.
Tiempo 10-12 – 10-6s
Las 4 fuerzas elementales se encuentran en sus formas actuales. Los quarks no pueden unirse entre sí como consecuencia de la alta temperatura, aunque la interacción nuclear fuerte exista.
ERA DE LOS HADRONES
ERA DE LOS LEPTONES
Tiempo 10-6 - 1s
El universo sigue en expansión y la temperatura bajando. La fuerza nuclear fuerte toma el control y los quarks comienzan a unirse formando hadrones: bariones y mesones. Hay una lucha entre protones-antiprotones y neutrones-antiprotones, ocurriendo lo mismo que en la bariogénesis. Consecuencia del choque se forma energía (dos fotones), que a su vez puede formar los bariones.
Tiempo 1 – 10s
Se forman los leptones: electrones y positrones, que chocan con su antimateria (también hay bariogénesis). Están en equilibrio con la energía, que ya no es capaz de formar protones y neutrones como consecuencia de la disminución de la temperatura del universo al seguir expandiéndose.
ERA RADIACTIVA
A partir de la era de los leptones ya solo queda materia (no antimateria), como consecuencia de la bariogénesis: protones, neutrones y electrones. Hay más protones que neutrones. Los electrones tratan de restablecer el equilibrio, por lo cual desaparecen. Comienza la nucleosíntesis primordial: se forma helio, deuterio y litio, dificultada por la energía. El universo está dominado por la radiación. La energía de la radiación era superior a la contenida en la materia.
ERA ESTELAR
La materia deja de estar ionizada. Se combinan protones y electrones y forman hidrógeno. La luz deja de interaccionar con la materia y viaja libremente por el universo.
A día de hoy sigue expandiéndose
El telescopio Hubble detectó que las galaxias emiten una longitud de onda cada vez mayor.
Esto demuestra que el universo sigue expandiéndose.
Las ondas de luz, cuanto más tienen que viajar, más se estiran, y más rojas son. Esto es lo que se denomina corrimiento al rojo.
¿Qué tiene que ver el Bosón de Higgs?Al inicio todo era energía…¿Cómo se pasó de la energía a la materia? Einstein lo explica con la fórmula E = mc2, que propone que materia y energía son intercambiables.
Pero…
Se piensa que en esa primera fracción de segundo del origen del universo existió el denominado campo de Higgs, formado por los bosones de Higgs, encargados de conferir la masa a las partículas.
¿Qué confiere masa a esas primeras partículas?
BOSÓN DE HIGGS
Las partículas subatómicas se dividen en dos tipos: fermiones y bosones.
Los componentes del átomo (electrones, protones y neutrones) son fermiones.
El fotón, el gluón y los bosones W y Z, responsables respectivamente de las fuerzas electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil, son bosones.
¿QUÉ ES el Bosón de Higgs? (I)
El bosón de Higgs es un tipo de partícula elemental con un papel fundamental en el mecanismo que origina la masa de las partículas elementales.
Es la partícula asociada al llamado campo de Higgs.
¿QUÉ ES el Bosón de Higgs? (II)
El campo de Higgs lo podemos imaginar como un líquido transparente y ligeramente viscoso que se extiende por todo el espacio, formado por un incontable número de bosones.
La masa de las partículas estaría causada por una “fricción” con el campo de Higgs, por lo que las partículas que tienen una fricción mayor con este campo tienen una masa mayor.
La «fricción» de las partículas con este campo produce una resistencia a su movimiento, lo cual imita exactamente el efecto de una masa.
¿CÓMO actúa?
El bosón de Higgs era la pieza que faltaba por descubrir del Modelo Estándar de Física de Partículas, teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones.
Sin masa, el Universo sería un lugar muy diferente.
¿Por qué ES IMPORTANTE?
La confirmación o refutación de su existencia es uno de los objetivos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo que opera el CERN.
Este LHC permite acelerar las partículas casi a la velocidad de la luz. Tiene 4 detectores gigantes que tienen como objetivo identificar ese bosón de Higgs.
Acelerador de partículas LHC (I)
El bosón de Higgs no se puede detectar directamente. Lo que se pueden ver son sus “huellas”, esas otras partículas que podrán ser detectadas en el LHC.
En el interior del anillo del acelerador colisionan protones entre sí a una velocidad cercana a la de la luz.
Se libera energía con el choque, que queda disponible para que se generen otras partículas.
Acelerador de partículas LHC (II)
Cuanto mayor sea la energía de las partículas que chocan más masa podrán tener las resultantes, según la famosa ecuación de Einstein E=mc2.
Para estar seguros de que una observación corresponde a un bosón de Higgs y no a otra partícula diferente, será
necesario estudiar en detalle y con más datos las propiedades de la nueva partícula
Acelerador de partículas LHC (III)
Los dos grandes experimentos del LHC son ATLAS y CMS. El 4 de Julio de 2012 los representantes de ambos experimentos muestran lo que parece ser una nueva partícula con unas características muy similares a las que se esperan del bosón de Higgs.
Esta nueva partícula sería un bosón, el más pesado observado hasta la fecha. Sin embargo, estos resultados todavía son preliminares, por lo que no se puede afirmar que estamos ante el bosón de Higgs descrito por el Modelo Estándar.
¿Se ha DESCUBIERTO? (I)
La identificación de las características de esta nueva partícula requerirá una considerable cantidad de tiempo y datos.
Pero cualquiera que sea la forma que tome la partícula de Higgs, nuestro conocimiento de la estructura fundamental de la materia está a punto de dar un gran paso adelante.
¿Se ha DESCUBIERTO? (II)
Si se descubriese, sería el comienzo de una nueva fase en la Física de Partículas. Marcaría el camino en la investigación de otros muchos fenómenos físicos como la naturaleza de la materia oscura, otro reto para la disciplina y experimentos como el LHC.
No descubrir el bosón de Higgs obligará a formular otra teoría para explicar cómo las partículas obtienen su masa, lo que requerirá nuevos experimentos que confirmen o desmientan esta nueva teoría.
¿Se ha DESCUBIERTO? (III)
España es miembro del CERN desde 1983.
La aportación española es proporcional a su PIB, y se sitúa detrás de Alemania, Reino Unido, Francia e Italia.
Además de esta contribución fija, se aportan otros fondos para financiar la actividad de los grupos de investigación españoles que participan en los cuatro experimentos principales del LHC: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE.
• Gribbin, John, En busca del Big Bang. Colección "Ciencia hoy". Madrid: Ediciones Pirámide, 09/1989.
• Hawking, S. W., Historia del tiempo: del Big Bang a los agujeros negros. Barcelona: Círculo de Lectores, 09/1991.
• Green, Brian, El tejido del cosmos. Espacio, tiempo y la textura de la realidad. Crítica. Barcelona (2006)
Bibliografía
• http://www.astronomia.net/cosmologia/BBhistoria.htm
• http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/07/05/confirmado-el-cern-descubre-el-boson-de-higgs/
• https://www.i-cpan.es/detallePregunta.php?id=1• http://antonioheras.com/el_big_bang/
nucleosintesis-primordial.htm• http://www.fgcsic.es/lychnos/es_ES/articulos/
boson_de_higgs
