Noticia Diario Clarin "La máquina de Dios" 15/03/13

La “máquina de Dios” halló la partícula más buscada.

POR VALERIA ROMÁN

Es el bosón de Higgs o “partícula divina”, pieza clave para entender los orígenes del Universo. Fue pronosticada en 1964 y el año pasado anunciaron que había pistas de su existencia. Ahora lo confirman.
IMÁGENES

Elusiva. Así recrearon la imagen del bosón de Higgs en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), donde está la “máquina de Dios”, dedicada a su búsqueda.
“Si uno comienza con certezas, terminará con dudas; pero si se acepta empezar con dudas, llegará a terminar con certezas”, sostenía el filósofo inglés Francis Bacon. Más de 200 investigadores empezaron con la duda sobre la existencia de una partícula relacionada con el momento del origen del Universo, llamada bosón de Higgs (o popularmente, “partícula de Dios”). Ayer –justo en el día del cumpleaños del físico Albert Einstein– presentaron las evidencias más sólidas. Ya no quedan dudas. Existe esa partícula que interactúa con otras para darles masa. Y sin masa, el Universo sería muy diferente En julio del año pasado, más de 2.000 científicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (más conocido como CERN, el mismo lugar donde se inventó Internet y que está situado en la frontera entre Suiza y Francia) habían mostrado las evidencias preliminares de la partícula, que fue predicha principalmente por el físico escocés Peter Higgs en 1964.
Desde aquel año, los físicos acariciaban el sueño de encontrar evidencias para corroborar que Higgs estaba en lo cierto. La partícula no se puede observar en la naturaleza, sino que había que producir experimentos con mucha energía para detectarla. Y eso es lo que se hizo: se construyó el gran colisionador de hadrones (es el más grande del mundo y se lo conoce como LHC o “máquina de Dios), que empezó a funcionar en 2008, con algunas intermitencias, y empezó a producir choques de partículas. Como esos choques producen decaimientos, se hacen mediciones que indican la existencia del bosón.
Durante la primera etapa de construcción, un equipo de trabajo argentino del Laboratorio de instrumentación y control, de la Universidad Nacional de Mar del Plata, encabezado por Mario Benedetti, contribuyó a generar circuitos eficientes de conversión de potencia. También hubo aportes de ingenieros del laboratorio de electrónica industrial de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP). Una vez que empezaron los choques de partículas, los investigadores de la UBA y la UNLP, dirigidos por Ricardo Piegaia y María Teresa Dova, con apoyo del Ministerio de Ciencia de la Nación, estuvieron involucrados en el proyecto del experimento ATLAS.
“El año pasado, ya teníamos la cantidad suficiente de información para demostrar que el bosón de Higgs”, dijo a Clarín Daniel De Florian, investigador de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA, que participa en el proyecto internacional desde Buenos Aires. Desde julio hasta ahora, los investigadores pudieron analizar dos veces y media más registros de colisiones que confirman la partícula. Aunque surgió otra pregunta: “Ya no podemos decir ‘el’ bosón de Higgs, sino que existe la posibilidad de que haya diferentes tipos de bosones de Higgs”, comentó De Florian. Ya tienen la certeza de al menos 1 bosón de Higgs, pero nadie se dormirá en el CERN en el logro. Los próximos dos años, se harán reparaciones y actualizaciones del colisionador, y luego se lo intentará que se más energético. Mientras duren las reparaciones, los investigadores seguirán analizando y chequeando un montón de información que ya tienen por los experimentos que hicieron.

Historia y génesis del Big Bang.

Para llegar al modelo del Big Bang, muchos científicos, con diversos estudios, han ido construyendo el camino que lleva a la génesis de esta explicación. Los trabajos de Alexander Friedman, del año 1922, y de Georges Lemaître, de 1927, utilizaron la teoría de la relatividad para demostrar que el universo estaba en movimiento constante. Poco después, en 1929, el astrónomo estadounidense Edwin Hubble (1889-1953) descubrió galaxias más allá de la Vía Láctea que se alejaban de nosotros, como si el Universo se expandiera constantemente. En 1948, el físico ucraniano nacionalizado estadounidense, George Gamow (1904-1968), planteó que el universo se creó a partir de una gran explosión (Big Bang). Recientemente, ingenios espaciales puestos en órbita (COBE) han conseguido "oír" los vestigios de esta gigantesca explosión primigenia.
De acuerdo con la teoría, un universo homogéneo e isótropo lleno de materia ordinaria, podría expandirse indefinidamente o frenar su expansión lentamente, hasta producirse una contracción universal. El fin de esa contracción se conoce con un término contrario al Big Bang: el Big Crunch o 'Gran Colapso' o un Big Rip o Gran desgarro. Si el Universo se encuentra en un punto crítico, puede mantenerse estable ad eternum. Muy recientemente se ha comprobado que actualmente existe una expansión acelerada del universo hecho no previsto originalmente en la teoría y que ha llevado a la introducción de la hipótesis adicional de la energía oscura (este tipo de materia tendría propiedades especiales que permitirían comportar la aceleración de la expansión).
La teoría del Big Bang se desarrolló a partir de observaciones y avances teóricos. Por medio de observaciones, en la década de 1910, el astrónomo estadounidense Vesto Slipher y, después de él, Carl Wilhelm Wirtz, de Estrasburgo, determinaron que la mayor parte de las nebulosas espirales se alejan de la Tierra; pero no llegaron a darse cuenta de las implicaciones cosmológicas de esta observación, ni tampoco del hecho de que las supuestas nebulosas eran en realidad galaxias exteriores a nuestra Vía Láctea.
Además, la teoría de Albert Einstein sobre la relatividad general (segunda década del siglo XX) no admite soluciones estáticas (es decir, el Universo debe estar en expansión o en contracción), resultado que él mismo consideró equivocado, y trató de corregirlo agregando la constante cosmológica. El primero en aplicar formalmente la relatividad a la cosmología, sin considerar la constante cosmológica, fue Alexander Friedman, cuyas ecuaciones describen el Universo Friedman-Lemaître-Robertson-Walker, que puede expandirse o contraerse.

Entre 1927 y 1930, el sacerdote belga Georges Lemaître2 obtuvo independientemente las ecuaciones Friedman-Lemaître-Robertson-Walker y propuso, sobre la base de la recesión de las nebulosas espirales, que el Universo se inició con la explosión de un átomo primigenio, lo que más tarde se denominó "Big Bang".
En 1929, Edwin Hubble realizó observaciones que sirvieron de fundamento para comprobar la teoría de Lemaître. Hubble probó que las nebulosas espirales son galaxias y midió sus distancias observando las estrellas variables cefeidas en galaxias distantes. Descubrió que las galaxias se alejan unas de otras a velocidades (relativas a la Tierra) directamente proporcionales a su distancia. Este hecho se conoce ahora como la ley de Hubble (véase Edwin Hubble: Marinero de las nebulosas, texto escrito por Edward Christianson).
Según el principio cosmológico, el alejamiento de las galaxias sugería que el Universo está en expansión. Esta idea originó dos hipótesis opuestas. La primera era la teoría Big Bang de Lemaître, apoyada y desarrollada por George Gamow. La segunda posibilidad era el modelo de la teoría del estado estacionario de Fred Hoyle, según la cual se genera nueva materia mientras las galaxias se alejan entre sí. En este modelo, el Universo es básicamente el mismo en un momento dado en el tiempo. Durante muchos años hubo un número de adeptos similar para cada teoría.

Con el pasar de los años, las evidencias observacionales apoyaron la idea de que el Universo evolucionó a partir de un estado denso y caliente. Desde el descubrimiento de la radiación de fondo de microondas, en 1965, ésta ha sido considerada la mejor teoría para explicar el origen y evolución del cosmos. Antes de finales de los años sesenta, muchos cosmólogos pensaban que la singularidad infinitamente densa del tiempo inicial en el modelo cosmológico de Friedman era una sobreidealización, y que el Universo se contraería antes de empezar a expandirse nuevamente. Ésta es la teoría de Richard Tolman de un Universo oscilante. En los años 1960, Stephen Hawking y otros demostraron que esta idea no era factible, y que la singularidad es un componente esencial de la gravedad de Einstein. Esto llevó a la mayoría de los cosmólogos a aceptar la teoría del Big Bang, según la cual el Universo que observamos se inició hace un tiempo finito.
Prácticamente todos los trabajos teóricos actuales en cosmología tratan de ampliar o concretar aspectos de la teoría del Big Bang. Gran parte del trabajo actual en cosmología trata de entender cómo se formaron las galaxias en el contexto del Big Bang, comprender lo que allí ocurrió y cotejar nuevas observaciones con la teoría fundamental.
A finales de los años 1990 y principios del siglo XXI, se lograron grandes avances en la cosmología del Big Bang como resultado de importantes adelantos en telescopía, en combinación con grandes cantidades de datos satelitales de COBE, el telescopio espacial Hubble y WMAP. Estos datos han permitido a los cosmólogos calcular muchos de los parámetros del Big Bang hasta un nuevo nivel de precisión, y han conducido al descubrimiento inesperado de que el Universo está en aceleración.

La máquina de Dios

El Gran Colisionador de Hadrones, GCH (en inglés Large Hadron Collider,LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire); el LHC se encuentra cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, de hasta 7 TeV de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos.
Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del big bang.
El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.
Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o −271,15 °C), los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008, y el primer intento para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de septiembre del año 2008. Aunque las primeras colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008, el experimento fue postergado debido a una avería que produjo la fuga del helio líquido que enfría uno de los imanes superconductores.
A fines de 2009 se volvió a poner en marcha, y el 30 de noviembre del 2010 se convirtió en el acelerador de partículas más potente al conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense. El 30 de marzo de 2010 las primeras colisiones de protones del LHC alcanzaron una energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada uno) lo que significó un nuevo récord para este tipo de ensayos. En 2012 el LHC empezó a funcionar a 4 TeV por haz y en febrero de 2013 se paró durante 20 meses para realizar las mejoras necesarias para la operación a la energía máxima de 7 TeV por haz; la reapertura está prevista para finales de 2014.
Este instrumento permitió confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs el 4 de julio del 2012, a veces llamada “partícula de la masa”. La observación de esta partícula es importante para explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa y es un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad y para determinar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas. Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas cuya existencia se ha predicho teóricamente, y para las que se ha planificado su búsqueda, como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas supersimétricas.

Ubicación

Problemas comunes de la teoría del Big-Bang.
Han surgido varios problemas dentro de la teoría del Big Bang. El problema de la penumbra en cúspide y el problema de la galaxia enana, no se consideran graves dado que pueden resolverse a través de un perfeccionamiento de la teoría.
Afirman que las soluciones a los problemas conocidos del Big Bang contienen modificaciones y agregados a la teoría. Los aspectos de la cosmología estándar siguen sin tener una explicación adecuada, pero la mayoría de los astrónomos y los físicos aceptan que la concordancia entre la teoría del Big Bang y la evidencia observacional es tan cercana que permite establecer con cierta seguridad casi todos los aspectos básicos de la teoría.

Futuro de acuerdo al Big Bang
Los cosmólogos consideraron dos posibles escenarios para el futuro del universo. La formación de estrellas cesaría mientras el Universo en crecimiento se haría menos denso cada vez.
Las observaciones modernas de la expansión acelerada implican que cada vez una mayor parte del universo visible en la actualidad quedará fuera de nuestro contacto. Se desconoce cuál sería el resultado de este evento. 

Base teórica
La teoría del big bang depende de 3 suposiciones:

1- La teoría de la relatividad general.

2- El principio cosmológico.

3- El principio de Copérnico

Estas 3 ideas fueron tomadas como postulados, hoy se intenta verificar. La primera fue verificada al nivel de las más grandes constantes físicas. La isotropía del universo que define el principio cosmológico ha sido verificada, y actualmente se intenta verificar el principio de Copérnico observando la interacción entre grupos de galaxias.
La teoría del Big Bang utiliza el postulado de Weyl para medir. Las medidas en este sistema dependen de coordenadas conformales, en las cuales las distancias codesplazantes y los tiempos conformales permiten no considerar la expansión del universo para las medidas de espacio-tiempo.
El Big Bang no es una explosión de materia que se aleja para llenar un universo vacío; es el espacio-tiempo el que se extiende. Es su expansión la que causa el incremento de la distancia física entre dos puntos fijos en nuestro universo.

Evidencia
Se consideran tres las evidencias empíricas que apoyan la teoría cosmológica del Big Bang. Son: la expansión del universo que se expresa en la Ley de Hubble y que se puede apreciar en el corrimiento hacia el rojo de las galaxias, las medidas detalladas del fondo cósmico de microondas, y la abundancia de elementos ligeros.
Ley de Hubble: De la observación de galaxias y quasares se desprende la idea de que estos objetos experimentan un corrimiento hacia el rojo, la luz que emiten se ha desplazado hacia longitudes de onda más largas. Se comprueba tomando el espectro de los objetos y comparando, luego el patrón espectroscópico de las líneas de emisión de los átomos interactúan con la radiación. este análisis se puede apreciar cierto corrimiento hacia el rojo, lo que se explica por una velocidad recesional correspondiente al efecto Doppler en la radiación.

v es la velocidad recesional, D es la distancia al objeto y H0 es la constante de Hubble.

Evolución y distribución galáctica
Las observaciones sobre la estructura de las galaxias y cuásares proporcionan una fuerte evidencia del big bang. Las observaciones y las teorías sugiere que los primeros cuásares y galaxias se formaron hace alrededor de mil millones de años después del Big Bang, y desde ese momento se han estado formando estructuras más grandes. Las observaciones de la formación estelar, la distribución de cuásares y galaxias, y las estructuras más grandes concuerdan con las simulaciones obtenidas sobre la formación de la estructura en el universo a partir del Big Bang, y están ayudando a completar detalles de la teoría.

El Big-Bang y el universo.
La teoría del Big Bang o teoría de la gran explosión es un modelo científico que trata de explicar el origen del Universo. Este modelo se basa en una colección de soluciones de las ecuaciones de la relatividad general, llamados modelos de Friedmann- Lemaître - Robertson - Walker. El término "Big Bang" se utiliza tanto para referirse específicamente al momento en el que se inició la expansión observable del Universo (cuantificada en la ley de Hubble), como en un sentido más general para referirse al paradigma cosmológico que explica el origen y la evolución del mismo.

La idea central del Big Bang es que la teoría de la relatividad general puede combinarse con las observaciones de isotropía y homogeneidad a gran escala de la distribución de galaxias y los cambios de posición entre ellas.
Una consecuencia de todos los modelos de Big Bang es que el Universo tenía una temperatura más alta y mayor densidad y las condiciones del Universo actual son muy diferentes de las condiciones del Universo pasado.
Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. La teoría de Gamow proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución. A causa de su elevadísima densidad, la materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y la base física de la ley de Hubble.
Según se expandía el Universo, la radiación del Big Bang continuó enfriándose. Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1965, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang. Uno de los grandes problemas científicos sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).
La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas. La teoría inflacionaria, formulada en la década de 1980, resuelve dificultades importantes en el planteamiento original de Gamow al incorporar avances recientes en la física de las partículas elementales.
A finales de los años 1990, se lograron grandes avances en la cosmología del Big Bang como resultado de importantes adelantos en telescopía, en combinación con grandes cantidades de datos satelitales de COBE, el telescopio espacial Hubble y WMAP. Estos datos han permitido a los cosmólogos calcular muchos de los parámetros del Big Bang hasta un nuevo nivel de precisión, y han conducido al descubrimiento inesperado de que el Universo está en aceleración.