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INTRODUCCIN
En la presente investigacin hablar un poco de este instrumento cientfico llamado acelerador de partculas que ha sido de gran importancia para la fsica moderna como lo es el microscopio para el estudio bacteriolgico, su anlisis, ha sido de gran importancia de una u otra manera, en nuestros das una nueva etapa se marco con el descubrimiento de el mismo que tiene sus inicios alrededor de 1930.
Por otra parte tocare un poco el tema de la demostracin de la existencia de la estructura llamada "Partcula de Dios Bosn de Higgs, que ha sido una teora moderna que se ha estudiado por los cientficos de nuestros das y que es bsicamente el estudio de cmo el universo se organiza.
Cabe mencionar la importancia de la creacin y el estudio de la materia oscura llamada comnmente por los cientficos agujeros negros o (Black hole), que tambin mencionar en el presente trabajo.
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ACELERADORES DE PARTCULAS
Los aceleradores de partculas son instrumentos que utilizan campos electromagnticos para acelerar
las partculas cargadas elctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energas) muy altas,
pudiendo ser cercanas a la de la luz. Adems estos instrumentos son capaces de contener estas
partculas. Un acelerador puede ser un tubo de rayos catdicos ordinario, formando parte de las
televisiones domsticas comunes o
los monitores de los ordenadores,
hasta grandes instrumentos que
permiten explorar el mundo de lo
infinitamente pequeo, en bsqueda
de los elementos fundamentales de
la materia.
HISTRICOS DEL ACELERADOR DE
PARTCULAS
Continuando con un poco de historia,
el acelerador de partculas encuentra
sus inicios a fines del siglo 18, cuando
el fsico francs Henri Becquerel descubre el fenmeno de la radiactividad el cual sera la base para los
estudios posteriores del acelerador de partculas.
En el ao de 1911, Ernest Rutherford y su equipo
utilizaron una fuente de partculas con radiacin de
tipo alfa como proyectiles para comprobar la
estructura de la material propuesta por Thompson.
El resultado sorprendente que se encontr fue que
una partcula alfa de cada diez mil era rebotada a
ngulos grandes. En un libro de fsica, Feynman
menciona una analoga para recalcar lo sorpresivo de
estos resultados y dice: "puede compararse a la
sorpresa que tendra una persona que disparara
balas con un rifle a una almohada llena de plumas y encontrara que algunas de las rebotaran hacia l".
La conclusin a la que llegara el que est disparando, es que dentro de la almohada adems de plumas
esta contiene objetos muy masivos tales como balas de can. La nica forma de explicar los
resultados de los experimentos de Rutherford fue la de suponer que la mayor parte de la masa de los
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tomos de oro, estaba concentrada en un pequeo volumen, al cual se le llam el ncleo atmico y fue
as lo que dio origen al modelo nuclear de los tomos.
El estudio del ncleo atmico tanto en el mbito terico como experimental dio origen a una nueva
rama de la ciencia llamada la fsica nuclear y el estudio experimental de estos sistemas se hizo
inicialmente estudiando las colisiones de los ncleos con proyectiles producidos por fuentes
radiactivas. Las limitaciones que tuvieron los primeros fsicos nucleares, eran que disponan de pocas
fuentes radiactivas y tambin estas eran poco intensas, por lo que los experimentos eran muy largos y
tediosos. Otra limitacin fue que los experimentadores no podan seleccionar el tipo de proyectil y su
energa tampoco la podan variar adecuadamente.
La necesidad de disponer de instrumentos para generar proyectiles con los cuales el experimentador
pudiera controlar el tipo de partcula (protones, deuterones, alfas, etc.) as como su energa y flujo de
estos (corriente elctrica) fue lo que origin el invento de esos instrumentos a los cuales se les llam
aceleradores de partculas.
ACELERADOR DE PARTCULAS: CONSTITUCIN, TIPOS Y PRINCIPIOS FSICOS
Qu es un acelerador de partculas?
Los aceleradores de partculas son
instrumentos que utilizan campos
electromagnticos para acelerar las
partculas cargadas elctricamente de
forma que stas colisionen entre s hasta
alcanzar velocidades cercanas a la de la luz
y energas muy elevadas.
Existen dos tipos bsicos de aceleradores:
los lineales y los circulares. Un acelerador
puede ser desde un tubo de rayos
catdicos como los que se encuentran en el interior de un monitor de ordenador o un televisor, hasta
grandes instrumentos que ocupan reas kilomtricas.4
Aceleradores Lineales
Los aceleradores lineales de altas energas utilizan un
conjunto de placas o tubos situados en lnea a los que se les
aplica un campo elctrico alterno. Cuando las partculas se
aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una
polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a
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travs de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la
placa repele la partcula, acelerndola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera
una sola partcula, sino un continuo de haces de partculas, de forma que se aplica a cada placa un
potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso
para cada haz.
Aceleradores Circulares
Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja aadida a los aceleradores lineales al usar campos
magnticos en combinacin con los elctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios
ms reducidos. Adems las partculas pueden permanecer confinadas en determinadas
configuraciones tericamente de forma indefinida.
Sin embargo poseen un lmite a la energa que puede alcanzarse debido a la radiacin sincrotrn que
emiten las partculas cargadas al ser aceleradas.
La emisin de esta radiacin supone una prdida de
energa, que es mayor cuanto ms grande es la aceleracin
impartida a la partcula. Al obligar a la partcula a describir
una trayectoria circular realmente lo que se hace es
acelerar la partcula, ya que la velocidad cambia su sentido,
y de este modo es inevitable que pierda energa hasta
igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad mxima.
Para un mismo campo elctrico de aceleracin, el acelerador circular permite alcanzar mayores
energas, pues la particular pasa repetidas veces por el campo.
Por otro lado, es ms sencillo conducir la partcula en la direccin adecuada en un acelerador lineal
debido a que no se necesita curvar su trayectoria y solo pasa una vez por cada punto, entre otros
motivos.
Existen dos tipos principales de aceleradores de partculas de los cuales se derivan algunos otros,
analizaremos estos dos tipos de aceleradores, los cuales analizaremos brevemente a continuacin:
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Ciclotrn
El primer ciclotrn fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de
California. En ellos las partculas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de D.
Cada par forma un dipolo magntico y adems se les carga de forma que exista una diferencia de
potencial alterna entre cada par de imanes. Esta
combinacin provoca la aceleracin.
Estos
aceleradores
tienen un lmite
de velocidad
bajo en
comparacin con
los sincrotrones
debido a los
efectos explicados anteriormente. Aun as las velocidades que se
alcanzan son muy altas, llamadas relativistas por ser cercanas a la
velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades de
energa (electronvoltios y sus submltiplos habitualmente) en
lugar de unidades de velocidad. Por ejemplo, para protones, el
lmite se encuentra en unos 10 MeV. Por este motivo los
ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energas.
Existen algunas mejoras tcnicas como el sincrociclotrn o el ciclotrn sncrono, pero el problema no
desaparece.
Sincrotrn
Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron construido en el
Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenz a operar en 1952, alcanzando una
energa de 3 GeV.
El sincrotrn presenta algunas ventajas con
respecto a los aceleradores lineales y los
ciclotrones. Principalmente que son capaces de
conseguir mayores energas en las partculas
aceleradas. Sin embargo necesitan
configuraciones de campos electromagnticos
mucho ms complejos, pasando de los simples
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dipolos elctricos y magnticos que usan el resto de aceleradores a configuraciones de cuadrupolos,
sextupolos, octupolos y mayores.
Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnolgicas e industriales, tales
como y entre otras muchas:
El desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos electromagnticos necesarios, sin la
necesidad de elevar el consumo elctrico hasta
cotas impensables,
sistemas de vaco, que permitan mantener las
partculas en el conducto donde se mantienen
las partculas, sin prdidas del haz inadmisibles,
superordenadores, capaces de calcular las
trayectorias de las partculas en las distintas
configuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar las enormes cantidades de datos generadas en
los anlisis cientficos de los grandes aceleradores como el LHC.
PRINCIPIOS FSICOS
Como toda gran mquina elctrica, el acelerador de partculas tiene sus fundamentos tericos, en el
caso del acelerador, los ms relevantes se hallan en el mbito de la fsica, siendo un poco ms
especficos, existe una ecuacin en la cual se fundamenta todo el estudio y anlisis de los aceleradores
y en el cual nos centraremos. Esta ecuacin no es ms que la desarrollada por Albert Einstein y es la
siguiente:
E=mc2
Einstein en su teorema de la relatividad nos dice que La masa es una forma de energa. A partir de
esta teora, nacen dos nuevos conceptos que ya se han podido comprobar durante los experimentos
realizados con los aceleradores de
partculas y estos son:
1) La energa puede
transformarse en masa; cuando las
partculas se mueven a velocidades
cercanas a la luz, se crea un efecto
en donde estas partculas, debido a
la cantidad de energa muy grande,
ya no pueden aumentar ms su
velocidad pero sufren un
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incremento en su masa lo que causa que tengan una masa mucho mayor a la que tienen en reposo.
Las masas pueden aniquilarse dando energa; por otra parte, sucede que, cuando las masas de los
ncleos de 2 o ms partculas se unen, liberan energa y muchas veces el ncleo resultante tiende a
tener una masa ligeramente menor a la masa que debera tener, es decir, la masa resultante no es
directamente la suma de las masas que la conformaron, sino que es levemente menor, por esta razn
es que se dice que hubo un desprendimiento de masa o perdida de masa liberando energa. De igual
manera suceden procesos inversos en los que absorben energa, estos procesos corresponden a la
fusin nuclear.
Estos experimentos se los realizan con el fin de conocer un poco ms sobre la base de toda la
materia, es decir, tratar de conocer los componentes ms bsicos de la materia, lo que se suele
denominar como partculas elementales debido a que no se podran dividir a un nivel ms pequeo.
Muchos cientficos y fsicos afirman que esto implicara conocer
el comportamiento de toda la materia y que consecuentemente
entenderamos mejor el mundo que nos rodea y
responderamos a preguntas como porque los cuerpos se atraen
o porque la materia se transforma.
Pero este universo que es de la fsica de partculas se halla a un
nivel sub-sub-atmico, es decir, en unidad de medida de
longitud vendra a ser 1*10E-18 metros o inclusive ms
pequeo.
Estudios relativamente recientes, han determinado la existencia de partculas elementales llamadas
quarks, las cuales se busca estudiar con la ayuda del acelerador de partculas.
Adems, existe un gran inters en demostrar o desechar la existencia de una partcula llamada Boson
de Higgs, la cual se cree que podra ser la causante de que el resto de partculas constituyentes de la
materia tengan masa.
Ciertamente la respuesta a este enigma es an desconocida, para dar respuesta a este y otros
paradigmas mas, es que los cientficos se valen de la
ayuda de los aceleradores de partculas.
EL CERN Y EL LHC
El CERN por sus siglas (Centro Europeo de Investigacin
Nuclear). Es una institucin en el cual participan ms de
20 pases y en el cual se realizan estudios de las partculas
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ms fundamentales que constituyen la materia mediante colisiones de las mismas a grandes
velocidades.
Esta centro fue creado alrededor del ao 1954, y se ubica bajo las fronteras de Suiza y Francia, tiene un
permetro de 27Km y una profundidad de 140m, en el se trabajan con energas de hasta 14TeV.7
Por su parte, el LHC por sus siglas en ingles (Large Hadron Collider), el gran colisionador de hadrones
es un acelerador y colisionador de partculas que est ubicado en el CERN, y fue diseado para
colisionar haces de protones, con el propsito de examinar la validez de la teora que describe las
relaciones entre las partculas elementales, a esta teora si la conoce como modelo estndar la cual es
el marco terico de la fsica de partculas.
Dentro del LHC se llevan a cabo diversos procesos para realizar la colisin de las partculas, dichos
procesos o pasos sern explicados de manera superficial a continuacin tratando de abarcar las etapas
esenciales antes que las partculas lleguen a colisionar entre ellas.
LHC: ETAPAS Y FUNCIONAMIENTO
La ciencia a seguido un largo camino para tratar de entender los bloques de los que est hecho la
materia. Newton y otros han hecho esfuerzos para el desarrollo de una teora para la materia, en los
ltimos 100 aos los cientficos descubrieron que los tomos
no eran macizos.
Con la ayuda del LHC se intenta descubrir todos los secretos
que se ocultan en las partculas elementales. La fsica
moderna analiza partculas a nivel sub subatmico, a estas
partculas se las denomina quarks, nadie ha visto uno aun,
pero se ha comprobado que estos existen, pero, como la
ciencia ha determinado que estos en verdad existen?
Bueno esto se
pretende demostrar
con la ayuda de los aceleradores de partculas, pero ms
especficamente con el LHC, en el, las partculas se aceleran
hasta obtener velocidades cercanas a la de la luz, pero para
ello se siguen una serie de etapas antes de realizar las
colisiones y poder estudiar los resultados obtenidos.
Una de botella de hidrogeno es el comienzo del mayor
acelerador de partculas (LHC) (Gran colisionador de hadrones), que se encuentra situado bajo las
montaas de ginebra, suiza. Los tomos de hidrogeno, son introducidos dentro de un acelerador lineal,
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pero antes de comenzar son ionizados (se les quitan los electrones), de tal manera que queda
nicamente los ncleos, es decir, protones estos tienen carga positiva y pueden ser acelerados por
accin de un campo elctrico.
El camino de estas partculas que van a colisionar a energas enormes empieza con la aceleracin de los
protones mediante un acelerador lineal, hasta alcanzar una velocidad de aproximadamente 1/3 de la
velocidad de la luz.
A partir de aqu comienza una segunda etapa que ya no puede ser
lineal, para aumentar la intensidad del aceleracin el paquete de
protones se divide en 4, ahora la aceleracin es de forma circular, en
una circunferencia de unos 150metros. Los tomos dan vueltas y
vueltas mientras son empujados mediante la accin de un campo
elctrico positivo que se aplica cuando los protones pasan por un
determinado punto, adems otros campos elctricos hacen que las
trayectorias sean las correctas, de esta manera los protones se
acelera hasta el 91.6% de la velocidad de la luz.
Una vez acelerados, los paquetes van a ser recombinados en 2 haces, de esta manera sern llevados
hasta el acelerador protn sincrotrn, en una tercera etapa. Ahora ya estn en un acelerador de 628
metros de circunferencia ah los protones van a tomar una velocidad del 99.9% de la velocidad de la
luz.
Ahora hemos alcanzado un punto, que en el de a partir
de ahora toda la energa que se transmite a los protones
mediante los campos elctricos ya no se pueden
transformar en mayor velocidad, pues ninguna partcula
se puede acelerar a mayor velocidad que la velocidad de
la luz, de modo que la energa aadida se convierte en
masa que se aade a los protones, en otras palabras los
protones ya no van a ir ms rpido, pero sern ms
pesados(la energa cintica de los protones se mide en
electronvoltios), en este punto la energa de cada protn
es de 25GeV (los protones son 25 veces ms pesados que
cuando estn en reposo).
Finalmente, los protones pasan en una 4ta etapa, el sper protn sincrotrn, un anillo de 7km de
circunferencia, aqu la energa de los protones se eleva hasta 425GeV y estn listos para pasar al
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gigantesco gran colisionador de hadrones (LHC) si todo bajo los campos y montaas entre Francia y
suiza, un anillo de 27km donde los haces de protones van a circular en sentido contrario.
Dos sofisticados ingenios sincronizan los haces de forma que hacen que uno circule en sentido de las
manecillas del reloj, mientras el otro lo hace en sentido contrario. De este modo se consigue que
cuando se choquen los haces de protones la energa conseguida sea el doble.
Aproximadamente 30 minutos despus de haber inyectado los tomos de hidrogeno en el acelerador,
estamos listos para la colisin. Se tienen alrededor de 2800 paquetes y durante este tiempo el LHC
aade energa a los protones, la velocidad es tan prxima a la velocidad de la luz que dichos haces dan
11000 vueltas por segundo alrededor del anillo, finalmente cada protn tiene una energa de 7TeV y
son 7000 veces ms pesados que en reposo.
Los campos magnticos que son necesarios para mantener a los protones dentro del anillo son tan
grandes que hacen falta ms de 12mil electro imanes para mantenerlos, y tienen que ser tan eficientes
que necesitamos que estn hechos de material superconductor. Finalmente se va a producir la colisin
entre dos protones con una energa total de 14TeV, tratando de reproducir condiciones posteriores al
big bang.
Las trayectorias del producto de colisin son analizadas por ordenadores conectados a los detectores,
as es como se encuentran las nuevas partculas y como se investiga lo que pudo haber ocurrido en los
primeros instantes del universo, como se comporta actualmente y que va a ocurrir en el futuro.
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En sntesis, de esta manera es como se
producen las colisiones entre los haces de
protones, de igual manera se dice que los
quarks fueron descubiertos en experimentos
como este en el ao de 1996. Ahora, lo que se
intenta lograr mediante estos experimentos
es recrear las condiciones que pudieron
haberse dado en los primeros instantes
despus de la explosin del big bang,
realizando esto, pudisemos tener una ligera
idea de cmo funciona el universo e incluso
pudisemos obtener pautas para que, de cierta forma, determinar que podra pasar en el futuro, por
esta razn es que los cientficos del mundo demuestran tal inters en el xito de este experimento,
pero esto al mismo tiempo ha levantado muchas controversias, criticas e incluso temores. Han
aparecido muchas nuevas teoras sobre lo que podra suceder durante o despus de uno de estos
experimentos.
De igual manera los experimentos ms recientes muestran resultados impresionantes e inimaginables,
resultados que ya han marcado una nueva etapa para la fsica, o al menos, han cambiado la forma de
ver la fsica de todos los cientficos as como de las personas comunes.
ACELERADORES DE PARTCULAS: APLICACIONES COMUNES E IMPACTO SOCIAL
Tras haber analizado los aceleradores de
partculas podemos decir que no todos son de
tamao colosal como el LHC, sino que los
encontramos a menor escala en nuestro diario
vivir y que si no fuese por estos aceleradores no
pudisemos hacer varias cosas en nuestra vida
cotidiana como por ejemplo ver la televisin. Este
ejemplo del televisor es el ms bsico y el ms comn
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de todos debido a que dentro del televisor encontramos un acelerador lineal, en donde las partculas
aceleradas inciden sobre la pantalla emitiendo luz y desvelando las imgenes que vemos.
Pero la televisin no es la nica aplicacin que tienen los aceleradores de partculas, existen varios
instrumentos como por ejemplo en el rea de la medicina que no existiran de no ser por los
aceleradores.
De esta manera podemos asegurar que los aceleradores abarcan ms que solo realizar colisiones de
partculas y tratar de descubrir las bases de la materia.
Este proyecto del LHC se ha visto envuelto en una serie de circunstancias y debates sobre si estara o
no bien realizar este tipo de experimentos, as como la opinin de diversos grupos humanos entre
prensa, iglesia y otros grupos cientficos. Ciertamente la tensin aparece cuando se habla sobre la
posibilidad de que sucedieran algn tipo de error o accidente y se perdiera el control del LHC o ms
propiamente dicho, que se perdiera el control de la reaccin que se origina al colisionar los haces de
protones, arrojando como posibilidades de la creacin de un agujero negro que pudiera tragarse al
planeta o que sucediera una reaccin que dejara al planeta inerte. De igual manera otros tipos de
crticas rodean al LHC como el hecho
de que se lo llega a llamar La
mquina de Dios, o que con esta
mquina se pretende encontrar La
partcula de Dios.
Por todas estas cuestiones, el LHC es
uno de los proyectos ms
controversiales de la historia. A
preguntas como estas, o temores
comunes de las personas, los
directores del CERN responden lo
siguiente: Ridculo, obviamente, el
mundo no se acabar cuando se
encienda el LHC", dijo el lder del proyecto Lyn Evans. Davis Francis, un fsico del enorme detector de
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partculas ATLAS, del LHC, sonri cuando se le pregunt si le preocupaban los agujeros negros y las
hipotticas partculas mortferas llamadas strangelets. "Si yo supusiera que esto fuese a suceder,
estara bien lejos de aqu", respondi.
La seguridad del colisionador, que generar
energas siete veces superiores a las de su rival ms
poderoso, el Fermilab cerca de Chicago, ha sido
motivo de debate durante aos. El fsico Martin Rees
ha calculado que las probabilidades de que un
acelerador produzca una catstrofe global son de
una en 50 millones: diminuta, pero igual a la de
ganar algunas de las loteras. Por el contrario, un
equipo de CERN emiti este mes un informe segn el
cual "no hay peligros concebibles" de que se
produzca un acontecimiento cataclsmico. El informe
confirm esencialmente las conclusiones de un informe sobre seguridad de CERN en el 2003, y un
panel de cinco prominentes cientficos no afiliados a CERN, incluyendo un premio Nobel, aval las
conclusiones.
Al refutar las predicciones apocalpticas, los cientficos de CERN aclaran que los rayos csmicos han
bombardeado la Tierra y han desencadenado colisiones similares a las planeadas para el LHC desde
que se form el sistema solar hace cuatro mil 500 millones de aos. Y hasta ahora la Tierra ha
sobrevivido. "El LHC slo va a reproducir lo que la naturaleza hace cada segundo, lo que ha estado
haciendo durante miles de millones de aos", dijo John Ellis, un fsico terico de CERN. Crticos como
Wagner han dicho que las colisiones causadas por aceleradores podran ser ms peligrosas que las de
los rayos csmicos. Ambas podran producir miniagujeros negros, versiones subatmicas de los
agujeros negros csmicos, estrellas
comprimidas cuyo campo de gravitacin es
tan poderoso que pueden tragarse planetas
enteros y otras estrellas. Pero los
miniagujeros negros producidos por las
colisiones de rayos csmicos probablemente
viajaran a tal velocidad que atravesaran la
Tierra sin consecuencias.
Los miniagujeros negros producidos por un
acelerador de partculas, conjeturan los
escpticos, se desplazaran ms lentamente
y podran quedar atrapados dentro del campo gravitacional de la Tierra, y a la larga amenazar el
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planeta. Ellis dijo que los objetores dan por sentado que el colisionador crear microagujeros negros, lo
que consider improbable. Y aun si aparecieran, dijo, se evaporaran instantneamente, como
pronostic el fsico britnico Stephen Hawking.
De cualquier manera, y aunque se extremen las precauciones, siempre
existir un temor hacia lo que podra ocurrir, es este mismo temor el que
nos obliga a tomar todas las precauciones de caso. Controversial o no, no
cabe duda de que el acelerador de partculas es un instrumento que nos
ayudara a desvelar muchos enigmas existentes.
BOSN DE HIGGS
Qu es el bosn de Higgs?
El Modelo Estndar de la fsica de partculas establece los fundamentos de cmo las partculas y las
fuerzas elementales interactan en el universo. Pero la teora fundamentalmente no explica cmo las
partculas obtienen su masa.
Las partculas, o trozos de materia, varan en tamao y pueden ser ms grandes o ms pequeas que
los tomos. Los electrones, protones y neutrones, por
ejemplo, son las partculas subatmicas que
conforman un tomo.
Los cientficos creen que el bosn de Higgs es la
partcula que da a toda la materia su masa (cantidad
de materia en los sentidos de gravedad e inercia).
Los expertos saben que las partculas elementales
como los quarks y los electrones son la base sobre la
cual se construye toda la materia del universo. Ellos
creen que el esquivo bosn de Higgs da a las
partculas su masa y llena uno de los agujeros de la
fsica moderna.
La partcula bosn Higgs es un elemento esencial para
el llamado Modelo Estndar de la Fsica, que
representa la teora, generalmente aceptada, de
cmo el universo se organiza.
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Determinando su existencia, fortalecera efectivamente la relevancia del Modelo Estndar, explicando,
a su vez, los resultados de innumerables experimentos fsicos y, asimismo, la razn por la cual ciertas
partculas se comportan del modo como lo hacen.
Del mismo modo, estableciendo de manera conclusiva la existencia del bosn Higgs, resultara en que
la ciencia astrofsica se orientar en una direccin ms acertada permitiendo a investigadores futuros,
concentrar sus esfuerzos de manera ms firme, abriendo puertas a nuevos descubrimientos,
destinados a confirmar el principio del cosmos y determinar el origen de la vida.
Cmo funciona el bosn de Higgs?
El bosn de Higgs es parte de una teora propuesta primero por el fsico Peter Higgs y otros en la
dcada de 1960 para explicar
cmo obtienen masa las
partculas.
La teora propone que un
llamado campo de energa Higgs
existe en todas partes del
universo. A medida que las
partculas pasan a toda
velocidad en este campo,
interactan y atraen a bosones
de Higgs que se agrupan
alrededor de las partculas en
un nmero variable.
Imagina el universo como una fiesta. Invitados relativamente desconocidos en la fiesta pueden pasar
rpidamente a travs del saln, desapercibidos, pero los invitados ms populares atraen a grupos de
personas (bosones de Higgs) que luego ralentizarn su movimiento a travs de la habitacin.
La velocidad de las partculas que se mueven a travs del
campo de Higgs funciona de manera bastante parecida.
Ciertas partculas atraern grandes grupos de bosones de
Higgs; y entre ms bosones de Higgs atraiga una partcula,
mayor ser su masa.
Por qu "Dios" es parte del nombre de esta partcula
subatmica?
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Leon Lederman, galardonado con el Premio Nobel en fsica en el ao 1993, le dio el alias de "la
Partcula de Dios", por su rol central en la fsica terica, aunque el profesor Higgs y sus colegas en el
laboratorio CERN, repudiaron esta designacin por sus connotaciones religiosas.
Los ensayos que, se presumen, demostraron la existencia de la estructura, fueron resultados de los dos
experimentos ms grandes que fueran completados en el Gran Colisionador de Hadrones (Large
Hadron Collider), la fabulosa mquina subterrnea que tritura partculas subatmicas utilizando, para
los fines, niveles de energa enormes.
El popular apodo de la esquiva partcula fue creado por el ttulo de un libro escrito por el Premio Nobel
de Fsica, Leon Lederman, segn se dice contra su voluntad, ya que Lederman dijo que quera llamarla
Goddamn Particle (Partcula Maldita por Dios), porque nadie poda encontrar esa cosa.
'Partcula de Dios' (God Particle) es un apodo que no me gusta, dice Archer. No tiene nada que ver
con la religin; la nica similitud (terica) es que ests observando algo que es un campo que est en
todas partes, en todos los espacios (y no lo puedes ver).
Por qu es tan importante encontrar el bosn de Higgs?
Aunque encontrar el bosn de Higgs no nos dir todo lo que necesitamos saber acerca de cmo
funciona el universo, llenar un enorme agujero en el Modelo Estndar que ha existido durante ms de
50 aos, segn los expertos.
El bosn de Higgs es la ltima
pieza que falta en nuestra actual
comprensin de la naturaleza ms
fundamental del universo, dijo
Martin Archer, un fsico del
Imperial College de Londres, a
CNN.
Slo ahora con el LHC seremos
realmente capaces de tachar ese
pendiente y decir: 'As es cmo
funciona el universo, o al menos
creemos que as lo hace'.
No es el punto culminante, pero
en trminos de lo que podemos decir prcticamente sobre el mundo y cmo es el mundo, realmente
nos dice mucho.
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Gordon Kane, director del Centro Michigan de Fsica Terica, agreg que encontrar evidencia del bosn
de Higgs sera un xito maravilloso de la ciencia y de las personas durante cuatro siglos.
Lo que conocemos, aunque no se haya certificado
Ambos experimentos han, precisamente, confirmado de manera independiente, la existencia de una
nueva partcula subatmica, con una masa de aproximadamente 125.5 GeV (voltios gigaelectrnicos),
que resulta ser 133 veces ms pesada que los protones que se encuentran en el centro de cada tomo
en existencia.
A pesar de que los datos compilados no proporcionan confirmacin absoluta, los cientficos no tienen
duda alguna de que lo que han descubierto representa una entidad subatmica que se ajusta a la
descripcin del bosn de Higgs, como fuera vaticinada por el Modelo Estndar de la fsica, el presente
esquema hipottico que unifica las diferentes fuerzas
de la Naturaleza.
Los fsicos tericos han postulado por mucho tiempo
que partculas, como las de Higgs, estn omnipresente
por toda la extensin del universo, creando un campo
de energa invisible que causa que otras partculas
adquieran masa, permitiendo la fusin de materia en
objetos de mayor tamao, que van desde las
molculas, hasta las estrellas y los planetas.
Sin ellas el universo estara despoblado.
Aunque la partcula Higgs, ms aptamente llamada un
"bosn escalar", fue postulada por la vez primera a principios de la dcada de los 1960s --- por un
nmero de fsicos tericos, laborando independientemente --- fue el Gran colisionador de hadrones el
instrumento que permiti a la ciencia demostrar que, en realidad, sta existe.
Quines son los cientficos que buscan el bosn de Higgs?
En el ltimo ao los cientficos han buscado el bosn de Higgs al estrellar conjuntos de protones a alta
velocidad en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en ingls) de 10,000 millones de
dlares del Consejo Europeo de Investigacin Nuclear, (CERN, por sus sigls en francs) en Ginebra,
Suiza.
En el interior del LHC, que se encuentra 100 metros bajo tierra en un tnel de 27 kilmetros y es el
acelerador de partculas ms poderoso jams construido, colisiones de protones a alta velocidad
generan una serie de partculas an ms pequeas que los cientficos escudrian en busca de una seal
en los datos que sugiera la existencia del bosn de Higgs.
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Simplemente esperas que en algn lugar de estas colisiones puedas ver algo... una especie de bache
estadstico, dice Archer.
Si los bosones de Higgs existen, son evasivos, estallando y luego desapareciendo de nuevo
rpidamente. Esto significa que los cientficos del LHC slo sern capaces de observar sus restos en
descomposicin, dice Archer.
Ha llevado aos a los cientficos reducir el rango de masa en el que crean que el bosn de Higgs podra
existir; pero durante el ao pasado, un bache estadstico sugiri que estn en el camino correcto.
Ahora que estn empezando a
obtener un 'bache', los cientficos
deberan de ser capaces de
conseguir ese resultado cada vez
ms, dice Archer.
EL GRAN COLISIONADOR DE
HADRONES (GCH)
El aparato que permiti completar
la aclamada proeza, reside en un
tnel circular de 27km de
circunferencia, a horcajadas de la
frontera Franco-Suiza, en los
suburbios de la ciudad de Ginebra.
El Gran Colisionador de Hadrones
de CERN (European Organization
for Nuclear Research)
Gran Colisionador de Hadrones del
Centro Europeo de Investigacin Nuclear (CERN)
Es el ms moderno y el ms complejo de los aparatos que han sido realizados por la inventiva del ser
humano, requiriendo la cooperacin de miles de fsicos provenientes de docenas de pases, trabajando
a tiempo completo por una dcada para erigirlo y hacerlo operacional.
CERN
Pero, an con 26 kilmetros de tneles, acelerando dos corrientes de protones en direcciones
opuestas a ms de 99.9999 por ciento de la velocidad de la luz, y, triturando al unsono, partculas ---
en colisiones miles de millones de veces por segundo, produciendo cientos de tomos con cada
19
sacudida. Dos detectores enormes, con un banco de ms de 3,000 computadoras --- analizando
eventos en bsqueda por algo de inters --- la partcula Higgs nunca aparece directamente por s
misma.
En similar manera al fabuloso gato de Cheshire que aparece en Alicia en el Pas de la Maravilllas, la
partcula de Higgs --- cuando se manifiesta --- slo deja una sonrisa en el vaco, lo que significa que se
descompone, de inmediato, en otras estructuras.
Luego de una considerable cantidad de tiempo en la computadora, es posible seguir y visualizar ---
mirando hacia atrs --- las partculas restantes, para determinar la masa y las otras propiedades de las
candidatas invisibles de Higgs.
Se dice "candidatas", porque, hasta ahora, el resultado de cada una de las dos mayores colaboraciones
experimentales que el Gran Colisionador de Hadrones (GCH) ha conducido, es haber descubierto una
partcula nueva con propiedades consistentes con el Modelo Estndar, que nos revela que la partcula
Higgs debe de ser producida a un ritmo comparable al tempo observado y debiera descomponerse en
las combinaciones especficas de las partculas elementales que son visibles.
En este caso los fsicos estn siendo muy conservativos.
De hecho, se puede cuantificar la posibilidad de que las investigaciones estn equivocadas y que los
eventos presentes son en actualidad ruidos de trasfondo simulando la seal real.
Cada experimento indica la posibilidad de una proximidad de "5 sigma", significando que la
contingencia de que los eventos divisados fueron producidos por casualidad son menos de uno en 3.5
millones.
20
Pero, a pesar de esto, la nica asercin que, hasta ahora, se ha expresado, es que la partcula es "real"
y con apariencia a Higgs.
Adems, los datos disponibles todava son demasiado minsculos estadsticamente para determinar
con precisin que la informacin es consistente con el modelo estndar.
Este enfoque cauteloso es uno acertado, porque deja abierta la posibilidad de que la partcula que
fuera observada no es exactamente el simple corpsculo de Higgs del modelo estndar.
Atrapar el bosn
La teora de Higgs parece funcionar bien y encajar perfectamente en el Modelo Estndar. Sin embargo,
falla en un punto para nada irrelevante: nadie nunca ha detectado la existencia del bosn de Higgs. El
problema es que todo podra ir como si la partcula misteriosa existiera. Por esto, el ao que viene
empezar un gran experimento proyectado para atrapar el bosn. Se llevar a cabo en el Centro
Europeo de Fsica Nuclear, en Ginebra. All, se harn chocar unas partculas pesadas en el interior de un
acelerador de partculas de un
dimetro de 27 kilmetros. Se
espera encontrar el bosn entre los
fragmentos que surjan del choque.
Y si no se encontrara nada? Pues,
no sera ninguna tragedia.
Simplemente se tendra que concluir
que algo falla en el Modelo Estndar
y que las cosas son ms complicadas
de lo que se esperaba. Y, por si
acaso, los cientficos ya estn
trabajando en unas teoras
alternativas.
Qu pasara si los cientficos no encuentran el bosn de Higgs?
El consenso general entre los acadmicos de la fsica es que el campo de Higgs y el bosn existen, de
acuerdo con Archer.
Simplemente tiene sentido en el marco en el que hemos establecido todo, dado que todo lo que
podemos describir y podemos ver parece ser descrito de esta sencilla manera, dice Archer.
21
Casi todos los cientficos creen que el Gran Colisionador de Hadrones o bien probar o refutar la
existencia del bosn de Higgs de una vez por todas; por lo que si el LHC no lo encuentra, no existe,
dicen los expertos.
Martin Archer cree que un fracaso en la bsqueda del bosn de Higgs sera an ms emocionante que
descubrir la esquiva partcula.
Si no lo ves, realmente significa que el universo al nivel ms fundamental es ms complicado de lo que
pensbamos, dice Archer, y por lo tanto, tal vez la forma en que hemos estado abordando la fsica no
es la correcta.
Parte del problema es que, de acuerdo con las predicciones, el bosn de Higgs es una partcula de gran
masa, de modo que hace falta una enorme cantidad de energa para producirlos (de ah que el futuro
LHC pueda conseguirlo). El segundo problema es que no es posible detectarlos directamente: entre
otras cosas, se estima que tienen una vida media de unos 0,0000000000000000000001 segundos; pero
s es posible detectar las partculas en las que se desintegran.
22
Los fsicos quieren, pues, calcular cuntas posibles combinaciones de partculas pueden producirse por
la desintegracin de un bosn de Higgs, y con qu probabilidad se produce cada una de esas
combinaciones. Si se detectan esas combinaciones de partculas en el LHC y con una frecuencia similar
a las probabilidades predichas, ser muy probable que se haya observado un bosn de Higgs. Los
sensores del LHC registrarn datos a un ritmo de unas 10.000 copias de la Enciclopedia Britnica por
segundo durante los experimentos, que los cientficos analizarn para tratar de descubrir el bosn de
Higgs escondido en ellos,
si es que est ah.
As que puede que la
noticia de la deteccin de
esta partcula tan
fascinante no sea
inmediata, sino que es
posible que se anuncien
observaciones
compatibles con ella, que
los cientficos vayan
calculando probabilidades
y combinaciones y, poco a
poco, la comunidad
cientfica se vaya
convenciendo de que se ha visto un bosn de Higgs. Tambin es enteramente posible que no se vea
absolutamente nada, que los patrones de partculas producidas en el LHC sean completamente
incompatibles con la teora de Higgs y que haya que buscar otras alternativas (hay fsicos que no creen
que el campo de Higgs exista).
Actualizacin el 4 de julio de 2012: El CERN ha publicado la posible confirmacin de la existencia del
bosn de Higgs.
Asuntos relevantes
La importancia de los bosones es que son motas subatmicas que emiten energa. Cuando Higgs
postul su existencia; el cientfico sugiri que su presencia podra explicar la razn por la cual la
materia --- desde la de los tomos, a la de la luz, a la de los planetas --- puede flotar por todo el
universo sin poseer masa alguna, como hacen los fotones luminosos.
Para quienes se preguntan por qu ha tomado tanto tiempo localizar la minscula sustancia, es porque
si, las partculas Higgs, de veras existen, stas se revelaran por slo una fraccin de segundo.
23
La teora sugiere que una cantidad suficiente de ellas se haran visibles con mayor facilidad si rayos de
protones colisionados amasados a energas elevadsimas pudieran producirse.
Hasta la construccin del Gran Colisionador de Hadrones no exista un instrumento capaz de lograr los
niveles de fuerza requeridos para lograr el propsito.
Aunque, hoy, existen ciertos aspectos del descubrimiento, a pesar del optimismo resultante, que
requieren esclarecimiento.
Hasta ahora lo conocido es que se ha descubierto una nueva partcula subatmica con una masa de
alrededor de 130 protones.
Que resultados preliminares indican que este corpsculo concuerda con la concepcin existente de
un bosn Higgs?.
Que puede que sea el bosn antedicho, o puede que sea uno de varios ms, ya que la teora sugiere
que puede que haya ms de uno?.
Mientras el asunto se resuelve, nos queda esperar con optimismo, como esperamos que se resuelvan
otros misterios de naturalezas psicolgicos y neurocientficos.
EL SIGNIFICADO DE ESTE DESCUBRIMIENTO Y EL MODELO ESTNDAR
Los fsicos, tratando de comprender el universo, han elaborado un esquema de trabajo que incorpora
las varias fuerzas que existen en la Naturaleza.
Modelo Estndar
El problema ha sido que este modelo, ampliamente aceptado, no logra explicar la razn por la cual la
materia posee masa, sin la asistencia estructural
provista por el bosn de Higgs.
Si el bosn de Higgs no es localizado, entonces,
toda la organizacin en la que actualmente se
funda el edificio de la fsica terica moderna se
desintegrara.
De lo que deriva, que localizando este bosn
proveera un soporte muy poderoso para la
estabilidad del estndar utilizado como modelo.
En la situacin en que hoy nos encontramos, es
que tenemos que confirmar que la nueva partcula, recin descubierta, es la de Higgs, mientras que el
24
Gran Colisionador de Hadrones (GCH) sigue operando persiguiendo otros proyectos en curso; como es
el de descubrir la "sper simetra", la idea de que las partculas subatmicas poseen gemelos idnticos.
Lo que consistiera en que, si existiera un campo universal de trasfondo invisible, permeando el espacio
vaco a travs del universo, que, entonces, partculas elementales podran interactuar con este campo.
An en el caso de que
inicialmente las partculas
carecieran de masa, que
ellas encontraran
resistencia a sus
movimientos en medio de
sus interacciones dentro
de este campo, y que, por
consecuencia, se
ralentizaran.
Entonces, actuaran como
si poseyeran masa.
Es similar a tener que
empujar un vehculo fuera
del camino porque se le
agot el combustible.
Una sola persona, con la ayuda de un amigo, puede empujarlo siempre y cuando permanezca en el
pavimento, pero una vez que sale del asfalto y encuentra el fango, el carro no se mueve porque se
torna ms pesado aunque no lo sea.
En un pasado no muy remoto, se haba reconocido que este fenmeno poda, no solo explicar la razn
por la cual partculas elementales, como las que constituyen nuestros organismos, poseen las masas
que poseen, sino que asimismo podra aclarar la razn por la cual dos de las cuatro fuerzas conocidas
en la Naturaleza --- el electromagnetismo y la llamada "fuerza dbil" (responsable por los procesos que
activan el sol) --- que en la superficie aparecen muy distintas a las escalas que nosotros medimos. Son
en realidad simple manifestaciones con apariencias distintas de la misma fuerza simple, ahora
conocida como la fuerza "electro-dbil".
Todas las predicciones basadas en estas ideas han resultado estar de acuerdo con el experimento.
25
HISTORIA
En los aos de los 1990s en los Estados Unidos, una mquina gigantesca llamada el Spercolisionador
Sperconductor, se estaba construyendo --- necesitando la terminacin del tnel ms grande que
nunca se hubiera excavado, con unas 60 millas en circunferencia --- para localizar a Higgs y determinar
el origen universal de la masa.
Pero, el Congreso, siempre insulso, y, ansioso a complacer sus patrocinadores privados o autorizar
dineros para las aventuras militares que esa nacin siempre inicia alrededor del globo, decidi que el
costo de 5 a 10 mil millones de dlares que haban sido apropiados por tres presidentes, deba
revocarse, eliminando el proyecto.
De esta manera, el GCH fue construido por un grupo de naciones europeas en colaboracin.
El resto ya es parte de la misma historia.
Mientras tanto, se estima que los Estados Unidos gastan unos estimados 10,000 millones de dlares al
mes en las guerras de Irak y Afganistn desde sus deslucidos comienzos.
CREACIN DE LA MATERIA OSCURA
HISTORIA DEL AGUJERO NEGRO.
Un catedrtico de Cambridge, John
Michell, escribi en 1783 un articulo
en el Philosophical Transactions of
the Royal Society of London en el que
sealaba que una estrella que fuera
suficientemente masiva y compacta
tendra un campo gravitatorio tan
intenso que la luz no podra escapar:
la luz emitida desde la superficie de la
estrella sera arrastrada de vuelta
hacia el centro por la atraccin
gravitatoria de la estrella, antes que
pudiera llegar muy lejos. Michell
sugiri que podra haber un gran
nmero de estrellas de este tipo. A pesar que no seriamos capaces de verlas porque su luz no nos
alcanzara pero si notaramos su atraccin gravitatoria.
26
Estos objetos son los que hoy en da llamamos agujeros negros, ya que esto es precisamente lo que
son: huecos negros en el espacio. Por aquel entonces la teora de Newton de gravitacin y el concepto
de velocidad de escape
eran muy conocidos.
Michell calcul que un
cuerpo con un radio 500
veces el del sol y la misma
densidad tendra, en su
superficie, una velocidad
de escape igual a la de la
luz y sera invisible.
En 1796, el matemtico
francs Pierre-Simon
Laplace explic en las dos
primeras ediciones de su
libro Exposition du
Systeme du Monde la
misma idea. Pero al ganar
terreno la idea de que la
luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.
En 1915, Einstein desarroll la relatividad general y demostr que la luz era influenciada por la
gravedad. Unos meses despus, Karl Schwarzschild encontr una solucin a las ecuaciones de Einstein,
donde un cuerpo pesado absorbera la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del
horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel
entonces. El propio Schwarzschild pens que no era ms que una solucin matemtica, no fsica.
En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostr que un cuerpo con una masa crtica, ahora conocida
como lmite de Chandrasekhar, y que no emitiese radiacin, colapsara por su propia gravedad porque
no haba nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atraccin
gravitatoria sera mayor que la proporcionada por el principio de exclusin de Pauli). Sin embargo
Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzara un tamao nulo, lo que implicara una
singularidad desnuda de materia, y que debera haber algo que inevitablemente pusiera freno al
colapso, lnea adoptada por la mayora de los cientficos.
En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podra sufrir un colapso gravitatorio y
por tanto los agujeros negros podran ser formados en la naturaleza. Esta teora no fue objeto de
mucha atencin hasta los aos 60 porque se tena ms inters en lo que suceda a escala atmica
despus de la guerra.
27
Entre 1965 y 1970, Stephen Hawking
y Roger Penrose probaron que los
agujeros negros son soluciones a las
ecuaciones de Einstein y que en
determinados casos no se poda
impedir que de un colapso se crease
un agujero negro.
En 1967, sin embargo, el estudio de
los agujeros negros fue
revolucionado por Israel Werner, un
cientfico canadiense (que naci en
Berln, creci en Sudfrica, y obtuvo el titulo de doctor en Irlanda). Israel demostr que, de acuerdo
con la relatividad general, los agujeros negros sin rotacin deban ser muy simples; eran perfectamente
esfricos, su tamao solo dependa de su masa, y dos agujeros negros cualesquiera con la misma masa
serian idnticos. De hecho, podran ser descritos por una solucin particular de las ecuaciones de
Einstein, solucin conocida desde 1917, hallada gracias a Karl Schwarzschild al poco tiempo del
descubrimiento de la relatividad general.
Al principio, mucha gente, incluido el propio Israel, argument que puesto que un agujero negro tena
que ser perfectamente esfrico, slo podra formarse del colapso de un objeto perfectamente esfrico.
Cualquier estrella real, que nunca sera perfectamente esfrica, solo podra por lo tanto colapsarse
formando una singularidad desnuda.
Hubo, sin embargo, una interpretacin diferente del resultado de Israel, defendida, en particular, por
Roger Penrose y John Wheeler.
Ellos argumentaron que los rpidos
movimientos involucrados en el
colapso de una estrella implicaran
que las ondas gravitatorias que
desprendiera la haran siempre ms
esfrica, y para cuando se hubiera
asentado en un estado estacionario
sera perfectamente esfrica.
De acuerdo con este punto de vista,
cualquier estrella sin rotacin,
independientemente de lo
complicado de su forma y de su
28
estructura interna, acabara
despus de un colapso
gravitatorio siendo un
agujero negro perfectamente
esfrico, cuyo tamao
dependera nicamente de su
masa. Clculos posteriores
apoyaron este punto de vista,
que pronto fue adoptado de
manera general. El resultado
de Israel slo se aplicaba al
caso de agujeros negros
formados a partir de cuerpos
sin rotacin.
En 1963, Roy Kerr, un neozelands, encontr un conjunto de soluciones a las ecuaciones de la
relatividad general que describan agujeros negros en rotacin. Estos agujeros negros de Kerr giran a
un ritmo constante, y su tamao y forma slo dependen de su masa y de su velocidad de rotacin. Si la
rotacin es nula, el agujero negro es perfectamente redondo y la solucin es idntica a la de
Schwarzschild. Si la rotacin no es cero, el agujero negro se deforma hacia fuera cerca de su ecuador
justo igual que la Tierra o el Sol, se achatan en los polos debido a su rotacin, y cuanto ms rpido gira,
ms se deforma. De este modo, al extender el
resultado de Israel para poder incluir a los cuerpos en
rotacin, se conjetura que cualquier cuerpo en
rotacin, que colapsara y formara un agujero negro,
llegara finalmente a un estado estacionario descrito
por la solucin de Kerr.
En 1970, en Cambridge, Brandon Carter, dio el primer
paso para la demostracin de la anterior conjetura.
Prob que, con tal que un agujero negro rotando de
manera estacionaria tuviera un eje de simetra, como
una peonza, su tamao y su forma solo dependeran
de su masa y de la velocidad de rotacin. Luego, en
1971, demostr que cualquier agujero negro rotando de manera estacionaria siempre tendra un eje
de simetra. Finalmente, en 1973, David Robinson, del Kings College de Londres, uso el resultado de
Carter y de Stephen Hawkings para demostrar que la conjetura era correcta; dicho agujero negro tiene
que ser verdaderamente la solucin de Kerr. As, despus de un colapso gravitatorio, un agujero negro
29
se debe asentar en un estado en el que puede rotar, pero no puede tener pulsaciones, es decir,
aumentos y disminuciones peridicas de su tamao.
La frontera de un agujero negro no es una superficie de material real, sino una simple frontera
matemtica de la que no escapa nada, ni la luz que atraviese sus lmites, se llama el horizonte de
eventos; cualquier fenmeno que ocurra pasada esa frontera jams podr verse fuera de ella. El
horizonte de suceso es unidireccional: se puede entrar, pero jams salir
La idea de agujero negro tom fuerza con los avances cientficos y experimentales que llevaron al
descubrimiento de los plsares. Poco despus, el trmino "agujero negro" fue acuado por John
Wheeler.
PARTES DE UN AGUJERO NEGRO.
Un agujero negro tiene tres partes principales que debemos diferenciar:
1).Orbita del agujero negro:
Es el exterior del agujero negro. En el est toda la
materia que tarde o temprano va a ser engullida por
el agujero negro. Esta materia gira en torno al agujero
negro, pero poco a poco va desplazndose ms hacia
el interior. Nadie sabe todava donde va a parar esta
materia.
2).Horizonte de sucesos:
El horizonte de sucesos es como una vlvula que solo
puede atravesarse en un sentido. Una vez que lo cruzas es imposible salir de ah. Ni siquiera la luz
puede salir. Aqu, ya slo queda bajar hasta la singularidad, que es el punto y final del agujero negro.
Ponemos el ejemplo de una nave interestelar de las del tipo de las pelculas de ciencia ficcin. Si una
nave quisiera salir del horizonte de sucesos, necesitara una aceleracin infinita, prohibida por las leyes
de la fsica.
3).La singularidad:
La singularidad es la parte final del agujero negro. Aqu, la curvatura del espacio tiempo es muy
extrema, y en caso de que una nave llegase hasta aqu, el espacio tiempo la comprimira hasta
densidades superiores a las de miles de millones de toneladas por centmetro cbico que existen en el
ncleo de los plsares.
30
AGUJEROS NEGROS EN RELACIN A SU MASA
CONCEPTOS PRELIMINARES SOBRE EL PESO DE LOS
AGUJEROS NEGROS.
El concepto de un cuerpo tan pesado que ni la luz
pudiese escapar de l, fue descrito en un artculo
enviado a la Royal Society por un gelogo ingls
llamado John Michelle en 1783. Por aquel entonces
la teora de Newton de gravitacin y el concepto de
velocidad de escape eran muy conocidas. Michelle
calcul que un cuerpo con un radio 500 veces el del
sol y la misma densidad tendra, en su superficie,
una velocidad de escape igual a la de la luz y sera
invisible.
Aos ms tarde en 1928, un estudiante graduado de
la india Subrahmanyan Chandrasekhar, calcul lo
grande que podra llegar a ser una estrella que fuera
capaz de soportar su propia gravedad, antes de que se acabe su combustible. Descubri una masa
(aproximadamente 1.5 veces la masa del Sol) en la que una estrella fra no podra soportar su
gravedad. Esto es lo que se conoce como el lmite de Chandrasekhar. Si una estrella posee una masa
menor a la del lmite de Chandrasekhar, puede estabilizarse y convertirse en una enana blanca, con un
radio de pocos kilmetros y una densidad de
toneladas por centmetro cbico.
Las estrellas de neutrones tambin estn dentro
del lmite de Chandrasekhar, siendo para estas 3
masas solares, y se mantienen por la repulsin
de electrones. Su densidad es de millones de
toneladas por centmetro cbico, aqu se
incluyen los plsares, los cuales son estrellas de
neutrones en rotacin. En 1939, Robert
Oppenheimer describi lo que le sucedera a una
estrella si estuviera por fuera del lmite de
Chandrasekhar.
El campo gravitatorio de la estrella cambia los
rayos de luz en el espacio - tiempo, ya que los rayos de luz se inclinan ligeramente hacia dentro de la
superficie de la estrella. Cada vez se hace ms difcil que la luz escape, y la luz se muestra ms dbil y
31
roja para un observador. Cuando la estrella alcanza un radio crtico, el campo gravitatorio crece con
una intensidad que la luz ya no puede escapar. Esta regin es llamada hoy un agujero negro.
TAMAO DE LOS AGUJEROS NEGROS.
Si analizamos el tema del espacio que ocupa un
agujero negro debemos de considerar como
parmetro principal una variable matemtica
denominada el radio de Schwarszchild el cual es el
radio del horizonte de sucesos que comprende al
agujero negro (dentro de este radio la luz es
absorbida por la gravedad y cualquier cuerpo es
absorbido con una fuerza gravitatoria infinita hacia
el centro del agujero negro no pudiendo escapar
de ste). Ahora bien los cientficos han logrado
hallar una relacin directa entre la masa y el
espacio ocupado de un agujero negro, esto significa que si un agujero negro es diez veces ms pesado
que cualquier estrella ocupar tambin diez veces el espacio ocupado por esa estrella. Para darnos una
idea ms clara compararemos el tamao del sol con un agujero negro sper masivo, el sol posee un
radio de aproximadamente 434,96 millas mientras que el agujero negro sper masivo poseer un radio
de a lo ms cuatro veces ms grande que el del Sol.
MASA DE LOS AGUJEROS NEGROS.
Si analizamos la segunda propiedad debemos de considerar que hasta el momento lo que se sabe de la
masa que poseen los agujeros negros es que esta no tiene lmites conocidos (ningn mximo ni
mnimo). Pero si analizamos las evidencias actuales podemos considerar que dado que los agujeros
negros se forman a partir de la muerte de estrellas masivas debera de existir un lmite mximo del
peso de los agujeros negros que sera a lo mucho igual a la masa mxima de una estrella masiva. Dicha
masa lmite es igual a diez veces la masa del Sol (ms o menos 1x1031 kilogramos).
En los ltimos aos se ha encontrado evidencia de la existencia de agujeros negros en el centro de
galaxias masivas. Se cree a partir de esto que dichos agujeros negros poseeran "milln de veces la
masa del sol".
CLASIFICACION TEORICA
Segn su origen.
Agujeros negros primordiales:
32
Aquellos que fueron creados temprano en la historia del Universo. Sus masas pueden ser variadas y
ninguno ha sido observado.
En 1971, Stephen Hawkings teoriz que en la densa
turbulencia creada por el fenmeno conocido
como Big Bang, se formaron presiones externas las
cuales ayudaron en la formacin de los mini
agujeros negros. stos seran tan masivos como
una montaa, pero tan pequeos como un protn;
radiaran energa espontneamente, y despus de
miles de millones de aos finalizaran con una
violenta explosin.
Estos agujeros negros tendran una mayor
temperatura y emitiran radiacin a un ritmo
mucho mayor. Un agu-jero negro primitivo con una
masa inicial de mil millo-nes de toneladas tendra
una vida media aproximada-mente igual a la edad
del universo.
Los agujeros negros primitivos con masas iniciales menores que la anterior ya se habran evaporado
completamente, pero aquellos con masas ligeramente superiores an estaran emitien-do radiacin en
forma de rayos X y rayos gamma. Los rayos X y los rayos gamma son como las ondas lumi-nosas, pero
con una longitud de onda ms corta. Tales agujeros apenas merecen el apelativo de negros: son
realmente blancos incandescentes y emiten energa a un ritmo de unos diez mil megavatios.
Un agujero negro de esas caractersticas podra hacer funcionar diez grandes centrales elctricas, si
pudira-mos aprovechar su potencia. No obstante, esto sera bastante difcil: el agujero negro tendra
una masa como la de una montaa comprimida en menos de una billonsima de centmetro, el
tamao del ncleo de un tomo! Si se tuviera uno de estos agujeros negros en la superficie de la Tierra,
no habra forma de conseguir que no se hundiera en el suelo y llegara al centro de Tierra.
Segn la masa:
a) Agujeros negros de masa estelar o medianos:
Se forman cuando una estrella de masa 2,5 mayor que la
masa del Sol se convierte en supernova e implosiona.
Su ncleo se concentra en un volumen muy pequeo que
cada vez se va reduciendo ms.
33
Por otro lado, hay buena evidencia de que los agujeros negros medianos se forman como despojos de
estrellas masivas que colapsan al final de sus vidas.
b) Agujeros negros sper masivos:
Son el corazn de muchas galaxias. Se ha establecido que tiene una masa de 2.5 millones de veces la
del Sol.
Se forman en el mismo proceso que da origen a las componentes esfricas de las galaxias. Se cree que
en el centro de la mayora de las galaxias, entre ellas la Va Lctea, hay agujeros negros sper masivos.
Estos agujeros negros sper masivos tienen un horizonte de eventos ms o menos igual al tamao del
Sistema Solar. Otra de las implicaciones de un Agujero Negro sper masivo sera la probabilidad que
fuese capaz de generar su colapso completo, convirtindose en una singularidad desnuda de materia.
Segn el momento angular (modelos tericos):
Un agujero negro sin carga y sin momento angular es un agujero negro de Schwarzschild, mientras que
un agujero negro rotatorio (con momento angular mayor que 0), se denomina agujero negro de Kerr.
EL LIMITE CHANDRASEKHAR.
Para empezar, no todas las estrellas se pueden convertir en agujeros negros, para ello deben de
cumplir ciertos requisitos como por ejemplo el tamao, tiempo de vida, entre otras caractersticas.
Las estrellas se forman a partir de grandes
concentraciones de gas, principalmente hidrgeno,
por efectos gravitatorios los tomos que conforman
estos gases empezarn a colapsar unos contra otros
contrayndose y generando un calentamiento del gas,
el calor poco a poco se incrementar llegando a
generarse reacciones importantes entre los tomos
(transformacin de molculas de Hidrgeno en Helio
como explicamos anteriormente). Estas reacciones
provocan emanaciones de energa altsimas que le dan
a las estrellas la luminosidad caracterstica. Todo esto
ocurre hasta un momento en que los tomos llegan a
alcanzar un equilibrio a partir del cual dejan de contraerse. El Sol se encuentra en estos momentos en
este equilibrio, en el que no existe ningn tipo de contraccin por parte de sus componentes.
Ahora bien, durante el perodo de tiempo que toma el proceso de contraccin de los tomos la estrella
sigue acumulando ms gases y crece en tamao, este tamao fue estudiado por Subrahmanyan
34
Chandrasekhar, quien indic el tamao mximo que una estrella puede alcanzar antes de llegar a
consumir todo su combustible natural.
Chandrasekhar descubri el lmite al cual una
estrella puede crecer de manera que su masa
pueda llegar a ser tal que la estrella llegue al lmite
de soporte de su gravedad; lo cual nos ayuda a
entender que si la estrella es muy grande su
gravedad podra provocar que esta "se derrumbe
sobre s misma" (para entenderlo piensa en un
huevo cayendo a 400 metros de profundidad bajo
el mar, lo que sucedera es que el huevo se
rompera por efecto de la presin del agua la cual
se ejerce de manera perpendicular sobre la
superficie del huevo antes de caer al fondo del
mar).
Sucede entonces que Chandrasekhar calcul matemticamente que la masa crtica de una estrella sera
igual a 1,5 veces la masa del sol a sta masa se le denomina el lmite de Chandrasekhar, por debajo de
ste lmite encontramos a las enanas blancas y las estrellas de neutrones mientras que por encima de
ese lmite podramos encontrar a los agujeros negros (bueno no fue hasta 1939 que se logr explicar
que sucedera con una estrella con una masa mayor a la del lmite de Chandrasekhar), esa estrella
poseera un campo gravitatorio tan fuerte que los rayos de luz emanados de la estrella empiezan a
irradiarse hacia la superficie (como un boomerang), poco a poco los rayos de luz se inclinan con mayor
fuerza hacia la misma estrella de la cual emanan.
A lo lejos un observador contemplar como la estrella pierde luminosidad tornndose roja (un efecto
parecido a cuando las bateras de una lmpara se van acabando de a pocos), Cuando la estrella llegue a
alcanzar un radio crtico el campo gravitatorio crecer de manera exponencial llegando finalmente a
atrapar a la misma luz dentro de ella.
FORMACIN DE LOS AGUJEROS NEGROS.
Supongamos una estrella como el sol que va agotando su
combustible nuclear convirtiendo su hidrgeno a helio y
este a carbono, oxgeno y finalmente hierro llegando un
momento en que el calor producido por las reacciones
nucleares es poco para producir una dilatacin del sol y
35
compensar as a la fuerza de la gravedad. Entonces el sol se colapsa aumentando su densidad, siendo
frenado ese colapso nicamente por la repulsin entre las capas electrnicas de los tomos. Pero si la
masa del sol es lo suficientemente elevada se vencer esta repulsin (al sobrepasar el lmite de
Chandrasekhar) pudindose llegar a fusionarse los protones y electrones de todos los tomos,
formando neutrones y reducindose el volumen de la estrella no quedando ningn espacio entre los
ncleos de los tomos. El sol se convertira en una esfera de neutrones y por lo tanto tendra una
densidad elevadsima. Sera lo que se denomina "estrella de neutrones".
Naturalmente las estrellas de neutrones no se forman tan fcilmente, ya que al colapsarse la estrella la
energa gravitatoria se convierte en calor rpidamente provocando una gran explosin. Se formara
una nova o una supernova expulsando en la explosin gran parte de su material, con lo que la presin
gravitatoria disminuira y el colapso podra detenerse.
As se podra llegar a formar objetos de menos densidad que las estrellas de neutrones llamados
"enanas blancas" en las que la distancia entre los ncleos atmicos a disminuido de modo que los
electrones circulan libres por todo el material (es la llamada materia degenerada), y es la velocidad de
movimiento de estos lo que impide un colapso mayor. Por lo tanto la densidad es muy elevada pero sin
llegar a la de la estrella de neutrones. Estos electrones degenerados se repelen pero no por repulsin
electromagntica sino por porque al presionarlos se intenta que ocupen el mismo orbital ms
electrones de los que caben.
Es la presin de Fermi de los electrones degenerados que acta cuando las ondas asociadas a los
electrones comienzan a solaparse. Pero Chandrasekhar descubri que si la masa de la enana blanca
fuera superior a 1,44 masas solares, entonces debido al lmite mximo de velocidad de los electrones
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(la velocidad de la luz) esta presin de Fermi no sera suficiente y la estrella colapsara a una estrella de
neutrones.
DETECCIN DE LOS AGUJEROS NEGROS.
Un agujero negro no podramos observarlo fcilmente ya que no reflejaran ni emitiran ningn tipo de
radiacin ni de partcula. Pero hay ciertos efectos que s pueden ser detectados. Uno de estos efectos
es el efecto gravitatorio sobre una estrella vecina.
Supongamos un sistema binario de estrellas (dos estrellas muy cercanas girando la una alrededor de la
otra) en el cual una de las estrellas es visible y de la cual podemos
calcular su distancia a la Tierra y su masa. Esta estrella visible
realizar unos movimientos oscilatorios en el espacio debido a la
atraccin gravitatoria de la estrella invisible. A partir de estos
movimientos se puede calcular la masa de la estrella invisible.
Si esta estrella invisible supera una masa de unos 1'5 veces la masa
de nuestro sol, tendremos que suponer que se trata de un agujero
negro.
Adems si la estrella visible est lo suficientemente cerca, podra ir
cedindole parte de su masa que caera hacia el agujero negro
siendo acelerada a tal velocidad que alcanzara una temperatura tan
elevada como para emitir rayos X. Pero esto tambin sucedera si se tratara de una estrella de
neutrones en vez de un agujero negro.
Un ejemplo de objeto detectado que cumple las dos condiciones primeras expuestas es la estrella
binaria llamada Cignus-X1, que es una fuente
de rayos X muy intensa formada por una
estrella visible y una estrella invisible con una
masa calculada que supera los 2'5 masas
solares. A parte de esto tambin hay que tener
en cuenta que S. Hawking dedujo que un
agujero negro producira partculas
subatmicas en sus proximidades, perdiendo
masa e irradiando dichas partculas, lo cual
sera otro modo de deteccin.
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DESCUBRIMIENTOS RECIENTES.
En 1995 un equipo de investigadores de la UCLA dirigido por Andrea Ghez demostr mediante
simulacin por ordenadores la posibilidad de la existencia de agujeros negros sper masivos en el
ncleo de las galaxias, tras estos clculos mediante el sistema de ptica adaptable se verific que algo
deformaba los rayos de luz emitidos desde el centro de nuestra galaxia (la Va Lctea), tal deformacin
se debe a un invisible agujero negro sper masivo que ha sido denominado Sgr.A (o Sagittarius A), al
mismo se le supone una masa 4,5 millones de veces mayor que la del Sol. El agujero negro sper
masivo del centro de nuestra galaxia actualmente es poco activo ya que ha consumido gran parte de la
materia barinica que se encuentra en la zona de su inmediato campo gravitatorio y emite grandes
cantidades de radiacin.
La existencia de los agujeros negros depende de la teora de Einstein, aunque las evidencias son muy
slidas; si esa teora se mostrara incorrecta, debera reescribirse la cosmologa entera.
No todas las estrellas se pueden convertir en agujeros negros, Subrahmanyan Chandrasekhar, (indic
el tamao mximo que una estrella puede alcanzar antes de llegar a consumir todo su combustible
natural), calcul matemticamente que la masa crtica de una estrella sera igual a 1,5 veces la masa
del sol a sta masa se le denomina el lmite de Chandrasekhar.
Los agujeros negros se forman a partir de estrellas moribundas las cuales luego de un proceso natural
empiezan a acumular una enorme concentracin de masa en un radio mnimo de manera que la
velocidad de escape de esta estrella es mayor que la velocidad de la luz.
Despus de largas dcadas cientficos pensaban que los agujeros negros no podan emitir nada que
solo absorban y que nada escapaba de su horizontes de sucesos ahora despus de estas ultimas
investigaciones se sabe que estos agujeros emiten radiacin como todo cuerpo caliente y que su
radiacin desprenden rayos gammas y X que pueden ser detectados por dispositivos colocados fuera
de la atmsfera.
Si mantenemos abierto un agujero de gusano mediante el aporte de energa negativa (suponiendo que
tenemos los medios tcnicos necesarios que deber tener una sociedad sper avanzada en el futuro),
podemos construir una mquina del tiempo.
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Bibliografa
http://mexico.cnn.com/tecnologia/2011/12/13/que-es-el-boson-de-higgs-la-particula-de-dios-o-una-maldita-particula
http://lasupergalaxia.wordpress.com/2009/05/11/el-acelerador-de-particulas-el-boson-de-higgs-o-particula-de-dios/
http://www.monografias.com/trabajos93/a-particula-diosa-revoluciona-campo-astrofisica/a-particula-diosa-
revoluciona-campo-astrofisica.shtml#ixzz2Wbpj5I5g
http://eltamiz.com/2007/11/20/esas-maravillosas-particulas-el-boson-de-higgs/
http://lasupergalaxia.wordpress.com/2009/05/11/el-acelerador-de-particulas-el-boson-de-higgs-o-particula-de-dios/
Historia de los aceleradores por Jos Luis [email protected].
Partculas Elementales-Maria Jose Herrero Solans; Catedratica del departamento de fsica de la UNAM 1/8/2012
Antonio Ferrer-IFIC-Universidad de Valencia-CSIC Catedratico de Fsica Atmica, Molecular y Nuclear
Acelerador de Particulas-Dr Eduardo Andrade Instituto de Fsica de la UNAM.
Ing. Romel Rodas, profesor de la Universidad Politecnica Salesiana, Cuenca-Ecuador
Sistemas-inerciales, principio-de-equivalencia, teorema de la relatividad, disponible en www.fisica-relatividad.com
Acelerador-de-particulas, funcionamiento del LHC, disponible en www.youtube .com
Acelerador de particulas/puede traer consecuencias?post info, disponible en www.taringa.net.
Fisica, aceleradores de particulas-ciencia, portalhispanos.com
Que es un acelerador de partculas? Portal web, www.saberia.com
http://html.rincondelvago.com/agujeros-negros_5.html
http://www.monografias.com/trabajos65/agujeros-negros/agujeros-negros2.shtml
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