Desde hace miles de años, la humanidad ha sentido la necesidad de comprender los misterios del universo. La física de partículas es una rama de la ciencia que se dedica a explorar los fundamentos de la realidad y desentrañar los secretos del universo.
En los últimos años, los físicos de partículas han hecho avances importantes en el descubrimiento de nuevas partículas subatómicas que nos ayudan a comprender mejor la naturaleza de la realidad. Uno de los mayores avances en la física de partículas fue el descubrimiento de una partícula elemental, cuyo papel en la creación de masa para las partículas elementales ha sido fundamental para nuestra comprensión del universo.
En este resumen, exploraremos cómo los físicos de partículas han hecho descubrimientos innovadores que nos han llevado a una comprensión más profunda del mundo en el que vivimos.
Fig. 1: El universo esconde todavía muchos secretos que no hemos descubierto, pero gracias al avance de la ciencia podemos comprender mejor todo lo que nos rodea.
- Este artículo trata sobre el bosón de Higgs.
- En primer lugar, estudiaremos qué es el bosón de Higgs, o partícula de Dios.
- Después, conoceremos a Peter Higgs, un físico británico que ha hecho grandes aportes a la ciencia.
- A continuación, veremos cómo se descubrió el bosón de Higgs.
- Posteriormente, analizaremos las partículas elementales.
- Para terminar, clasificaremos las diferentes partículas elementales y aprenderemos más sobre ellas.
¿Qué es el bosón de Higgs o la partícula de Dios?
El bosón de Higgs es una partícula subatómica elemental que no tiene carga eléctrica ni espín. Sin embargo, tiene la capacidad de dar masa al resto de partículas subatómicas.
El bosón de Higgs comenzó siendo, simplemente, una hipótesis postulada por Peter Higgs, pero en 2012 se confirmó su existencia en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear). Como consecuencia, se convirtió en una teoría (más adelante profundizaremos en cómo se descubrió).
El bosón de Higgs también se conoce como la Partícula de Dios, pero no está relacionada con Dios, ni con ninguna religión en particular. Este apodo se le dio porque da masa a todo lo que conocemos, desde los átomos que forman la comida que comes todos los días hasta las estrellas más grandes que puedas imaginarte; es decir, da masa a todo lo que existe en el universo. Es importante remarcar que a los físicos no les gusta mucho este apodo.
Según el Modelo Estándar de la física, esta partícula es muy importante, puesto que todas las partículas elementales tienen masa, gracias a su interacción con el campo de Higgs. Las partículas que interactúan fuertemente con el campo tendrán más masa que aquellas que interactúan de una manera más débil.
El campo de Higgs es un campo cuántico responsable de la masa de las partículas elementales en el universo.
Peter Higgs
Peter Higgs es un físico teórico nacido en 1929 en Reino Unido. Su trabajo más importante es la formulación de la teoría del bosón de Higgs. En 1964, Higgs publicó un artículo en el que propuso que existía una partícula que podría interactuar con las partículas subatómicas para aportarles masa. Este trabajo teórico fue clave para que se desarrollara el Modelo Estándar de la física de partículas. Posteriormente, se descubrió que esta partícula a la que se refería Peter Higgs era el bosón de Higgs (que recibe el nombre en su honor).
Gracias a esta contribución, Higgs recibió el Premio Nobel de Física en el año 2013, junto con el físico belga François Englert, quien también contribuyó a esta teoría.
Fig. 2: El físico teórico Peter Higgs.
Descubrimiento del bosón de Higgs
Como hemos visto en el primer apartado de este artículo, el bosón de Higgs se descubrió en el Gran Colisionador de Hadrones, también conocido como LHC (por sus siglas en inglés de Large Hadron Collider). El LHC es un acelerador de partículas que se encuentra en el CERN, entre la frontera de Suiza y Francia. Se trata de un túnel que forma una circunferencia de 27 km y que está a unos 100 metros de profundidad (esta es la profundidad media; ya que, en realidad, su profundidad oscila entre los 50 y los 175 m).
El objetivo de este acelerador era acelerar los protones hasta que alcanzasen una velocidad cercana a la de la luz (en concreto, se alcanza el 99,99% de la velocidad de la luz). Entonces, los haces de electrones colisionan entre sí y producen una gran cantidad de partículas subatómicas que actualmente no encontramos en la Tierra, pero que estaban presentes en el Universo en los minutos posteriores a que se produjera el Big Bang (incluyendo al bosón de Higgs).
En el CERN y, en concreto, en el Gran Colisionador de Hadrones, se llevan a cabo constantemente numerosos experimentos que permiten el avance de la ciencia, sobre todo de la física de partículas. Nosotros vamos a centrarnos, en concreto, en los experimentos ATLAS y CMS, que son los dos experimentos que fueron diseñados para encontrar el bosón de Higgs. Ambos fueron creados, específicamente, para tratar de encontrar la señal característica que se da cuando el bosón de Higgs se desintegra en otras partículas, ya que el bosón como tal no podía ser detectado, pero estas otras partículas sí.
En 2012 se anunció el descubrimiento del bosón de Higgs, gracias a una señal de desintegración de esta partícula en dos fotones, lo que confirmó su existencia.
Partículas elementales
Una partícula elemental es una partícula que no se compone de otras partículas más pequeñas. Son bloques fundamentales que forman todo el universo. Las partículas que forman un átomo, cuyo tamaño es (evidentemente) inferior al del átomo, son partículas elementales.
¿Por qué es importante conocer las partículas elementales? Pues bien, si las conocemos, podemos comprender por qué y cómo reaccionan los átomos, y qué ocurre cuando lo hacen.
Los átomos
Los átomos son las unidades más pequeñas de materia que conservan las propiedades de un elemento. Toda la materia está compuesta por átomos.
A su vez, los átomos están compuestos por tres partículas subatómicas principales, que a su vez están formadas por partículas fundamentales. Hablemos primero de estas partículas subatómicas:
Las partículas subatómicas son partículas más pequeñas que el átomo. Cada átomo está formado por electrones, protones y neutrones, que son partículas subatómicas.
Algo importante a tener en cuenta cuando estamos aprendiendo algo relacionada con las partículas subatómicas es que, cuando escribimos su carga y su masa, indicamos sus masas relativas, en lugar de sus masas reales.
Intentemos examinar en detalle cada tipo de partícula subatómica, para luego comparar sus características principales.
Fig. 3: Representación de la estructura de un átomo.
Los protones y los neutrones están en el núcleo, mientras que los electrones orbitan alrededor del núcleo.
Los electrones
Los electrones están cargados negativamente y giran alrededor del núcleo, en órbitas específicas; como los planetas giran alrededor del sol. La carga de un electrón es -1.602·10-19 culombios y su masa es 9.109·10-31kg. Como puedes ver, la masa de un electrón es despreciable: no contribuye a la masa del átomo.
Los electrones desempeñan un papel importante en las reacciones químicas:
- La transferencia y compartición de electrones de un átomo a otro conduce a la formación de enlaces.
- Cuando se forman nuevos enlaces, se generan nuevas sustancias.
Los electrones son atraídos por el núcleo, pero no caen en él; los retiene la atracción electrostática entre los electrones y los protones. Esto nos lleva a la siguiente partícula subatómica…
Los protones
Los protones son partículas subatómicas, con carga positiva, que forman parte del núcleo. Su carga es igual en magnitud a la de un electrón, pero de signo opuesto; por lo tanto, su carga es -1.602·10-19 culombios. Los protones son 1835 veces más pesados que los electrones; en concreto, su masa es de 1.67262·10-27kg y, por lo tanto, contribuyen a la masa del átomo.
Los neutrones
Los neutrones son neutros (es decir, no tienen carga eléctrica). La masa de un neutrón es 1.674·10-27kg; como puedes observar, es ligeramente superior a la del protón. Los protones y los neutrones contribuyen conjuntamente a la masa máxima del átomo.
Los protones y neutrones se denominan nucleones, porque residen en el núcleo.
Clasificación de las partículas elementales
Como ya hemos visto, las partículas elementales son los componentes fundamentales de todo el universo y son las partículas más pequeñas que existen, no pueden dividirse. Existen tres categorías principales de partículas elementales:
- Los fermiones, que constituyen la materia.
- Los leptones.
- Los bosones, que son las partículas que interactúan.
Los fermiones
Los fermiones son las partículas fundamentales que componen las partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones.
Las partículas que se encuentran en el núcleo (protones y neutrones) están compuestas por quarks; mientras que los electrones son un ejemplo de leptones, que son partículas con una dualidad onda-corpúsculo.
¿Sabías que los protones y los neutrones son divisibles? Están formados por partículas más pequeñas llamadas quarks y gluones. Los protones están formados por tres quarks, que contribuyen a su masa, mientras que los gluones unen los quarks entre sí. Se dice que los gluones tienen una masa despreciable; a menudo se les denomina partículas sin masa.
Los quarks
Los científicos cuánticos consideran que los protones y neutrones están formados por partículas subatómicas más pequeñas llamadas quarks, una verdadera partícula fundamental.
En quark (un tipo de fermión) es una partícula elemental con carga eléctrica dividida.
Antes creíamos que los protones y los neutrones eran partículas fundamentales. Sin embargo, ahora creemos que estas partículas elementales están formadas por partículas aún más pequeñas. Estas partículas más pequeñas se denominan quarks. En concreto, los que forman los protones y los neutrones son dos:
- Quark up o quark arriba: tiene una carga eléctrica de +2/3.
- Quark down o quark bajo: tiene una carga eléctrica de −1/3.
- Un protón está compuesto por dos quarks up y un quark down. Por lo tanto, el protón tiene una carga eléctrica positiva igual a +1 .
- El neutrón está formado por dos quarks down y un quark up. Por lo tanto, el neutrón tiene una carga eléctrica nula.
Los quarks son los componentes básicos de los protones y los neutrones; existen seis tipos:
- Up u o quark arriba.
- Down d o quark bajo.
- Bottom b o quark fondo.
- Top t o quark cima.
- Quark extraño.
- Quark encantado.
Los quarks tienen una carga fraccionaria, que suma una carga de +1 o 0. Las cargas posibles para un quark son -1/3 o +2/3. Tres quarks forman un protón o un neutrón, y dan:
- Dos quarks con una carga de -1/3 y un quark con una carga de +2/3 --> Un neutrón
- Dos quarks con una carga de +2/3 y un quark con una carga de -1/3 --> Un protón.
Si se suma la carga de todos los quarks, se obtiene la carga fundamental total de la partícula.
| Partícula | Carga |
| Quark Up | +2/3 |
| Quark Down | -1/3 |
| Quark extraño | -1/3 |
Tabla 1: Cargas de los quarks.
Podemos ver que:
- Si tenemos dos quarks up y un quark down, tenemos un protón con una carga de 1.
- Si tenemos un quark up y dos quarks down, tenemos un neutrón con una carga de 0.
Las partículas extrañas son partículas adicionales que se forman cuando haces de alta energía colisionan con átomos. Las partículas extrañas se desintegran más lentamente que otros quarks. y tienen una cualidad que se ha denominado número extraño.
Murray Gell-Mann es el físico que propuso la idea de quark. Gell-Mann no estaba seguro de cómo deletrear el término acuñado, hasta que encontró la palabra quark en el libro de James Joyce Finnegan's Wake, en 1939.
Le gustó la cita Three quarks for Muster Mark, ya que tres quarks forman un protón/neutrón (Quark es una palabra del inglés antiguo que significa graznar y se utilizaba en el libro para representar un coro de pájaros que se burlaban del rey Mark de Cornualles).
Los leptones
Los leptones son partículas elementales que no pueden dividirse en partículas más pequeñas.
Los leptones tienen carga, al igual que los hadrones, y se ven afectados por la fuerza nuclear débil. No les afecta la fuerza nuclear fuerte, que mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo.
Pueden clasificarse en partículas cargadas y neutras.
- Cargadas: poseen y transportan cargas eléctricas como el electrón, el muón y el tau.
- Neutras: tienen carga cero como los neutrones.
Los bosones
Un bosón es una partícula que actúa como transmisor para permitir la interacción entre dos partículas de materia a distancia. Ceden su masa a otras partículas elementales, lo que les permite actuar (a la vez) como onda y como partícula.
Cuatro de estos bosones se denominan bosones gauge y cada uno de ellos representa una fuerza del universo. Los bosones son partículas elementales que no cumplen el principio de exclusión de Pauli, a diferencia de los electrones.
Los fotones
El fotón es el bosón gauge asociado a la interacción electromagnética. Viaja a la velocidad de la luz y es la base del magnetismo o de la propia luz.
Los gluones
El gluón es el bosón gauge asociado a la interacción fuerte.
Esta fuerza actúa a nivel microscópico y es muy poderosa, ya que mantiene unidos a los quarks que forman los protones y los neutrones.
Bosones Zo, W+ y W-
Los bosones Zo, W+ y W- son los bosones gauge asociados a la interacción débil.
Esta fuerza es la base de fenómenos como la radiactividad de partículas y la fusión nuclear en estrellas como el Sol.
El bosón de Higgs
El bosón de Higgs, Ho, no representa una fuerza, sino un campo llamado campo de Higgs. Este campo asigna masa a las partículas que lo atraviesan. Cuantas más partículas interactúen con el campo, más masa tendrán.
Gravitón G
El Modelo Estándar aún no incluye la fuerza gravitatoria, esencial para el universo. Los físicos han sugerido la existencia de un bosón que transmitiría la interacción gravitatoria, el gravitón G.
Los hadrones
Los hadrones son una gran familia de partículas compuestas que comprende varias subfamilias, cuyos ejemplos más conocidos son los protones y los neutrones.
Los hadrones son partículas elementales que constituyen la mayor parte de la masa de la materia. Se componen de quarks y/o anti-quarks y gluones.
Los hadrones tienen las siguientes características principales:
- Los hadrones se mantienen unidos por una fuerza conocida como fuerza nuclear fuerte, que pega todas las partículas que forman el núcleo.
- Los hadrones están formados por partículas llamadas quarks, que transportan la carga eléctrica de los hadrones.
Además, los hadrones pueden clasificarse en dos categorías:
- Los mesones, formados por un número par de quarks, como los protones y los neutrones.
- Los bariones, formados por un número impar de quarks, como el muón.
Los antiquarks y la antimateria —como los positrones (electrones positivos), los antiprotones y los antineutrones— pertenecen a las mismas familias que sus homólogos (quarks, electrones, protones y neutrones). La principal diferencia entre ellos y la materia normal es que algunas de sus características, como la carga eléctrica, son opuestas.
¿Te ha resultado interesante este artículo? Aunque parezca complejo al principio, seguro que te has dado cuenta de que realmente no lo es tanto, porque… ¡ya eres todo un experto!
El Bosón de Higgs - Puntos clave
- El bosón de Higgs es una partícula subatómica elemental que no tiene carga eléctrica ni espín. Sin embargo, tiene la capacidad de dar masa al resto de partículas subatómicas.
- El campo de Higgs es un campo cuántico responsable de la masa de las partículas elementales en el universo.
- Peter Higgs es un físico teórico nacido en 1929 en Reino Unido. Su trabajo más importante es la formulación de la teoría del bosón de Higgs.
- El bosón de Higgs se descubrió en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, en Suiza.
- Una partícula elemental es una partícula que no se compone de otras partículas más pequeñas. Son bloques fundamentales que forman todo el universo. Las partículas que forman un átomo —cuyo tamaño es, evidentemente, inferior al del átomo— son partículas elementales.
- Los fermiones son las partículas fundamentales que componen las partículas subatómicas: electrones, protones y neutrones.
- Un quark es una partícula elemental con carga eléctrica dividida.
- Los leptones son partículas elementales que no pueden dividirse en partículas más pequeñas.
- Los bosones Zo, W+ y W- son los bosones gauge asociados a la interacción débil.
- El fotón es el bosón gauge asociado a la interacción electromagnética. Viaja a la velocidad de la luz y es la base del magnetismo, o de la propia luz.
- El gluón es el bosón gauge asociado a la interacción fuerte.
- Los bosones Zo, W+ y W- son los bosones gauge asociados a la interacción débil.
- El Modelo Estándar aún no incluye la fuerza gravitatoria, esencial para el universo. Los físicos han sugerido la existencia de un bosón que transmitiría la interacción gravitatoria, el gravitón G.
- Los hadrones son partículas elementales que constituyen la mayor parte de la masa de la materia. Se componen de quarks y/o anti-quarks y gluones.
References
- Fig. 1: Observable Universe Logarithmic Map (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Observable_Universe_Logarithmic_Map_(horizontal_layout_no_annotations).png) by Pablo Carlos Budassi (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Unmismoobjetivo) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)
- Fig. 2: Peter higgs chalkboard (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Peter_higgs_chalkboard.jpg) by Hans G (https://www.flickr.com/people/48351129@N08) is licensed by CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)
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