Sembla ser que al laboratori de Ginebra del CERN dos equips investigadors han descobert l’anomenada partícula de Déu, el bosó de Higgs, treballant amb el LHC (Large Hadron Collider).
Però, què és això d’un bosó, i quina importància té aquest en concret?
Fem una mica de repàs de física de partícules.
Durant el segle XX es va desenvolupar de forma teòrica l’anomenat Model Estàndard que pretenia descriure tota la física de la matèria i l’energia a qualsevol escala (subatòmica i supragalàctica), descrivint les quatre forces fonamentals (gravitacional, electromagnètica, interacció nuclear forta i interacció nuclear dèbil) i les seves interaccions al llarg de la història de l’Univers. Aquest model preveia l’existència d’un seguit de partícules anomenades elementals de les quals, en un començament de la teoria, ja se’n coneixien algunes com l’electró i el fotó, entre d’altres. Els experiments que es van anar fent a posteriori van anar descobrint i confirmant les partícules que s’havien teoritzat.
Una de les més importants i més difícils de descobrir era, precisament, el bosó de Higgs (H), postulat per Peter Higgs i d’altres físics l’any 1964. De fet és l’única partícula elemental del Model Estàndard que encara no havia pogut ser detectada (val a dir que també queda per descobrir el gravitó, responsable dels camps gravitatoris, però aquest tema va associat a la difícil unificació entre la Teoria de la Relativitat i la Mecànica Quàntica).
Perquè era difícil de descobrir?
La dificultat raïa en dos aspectes: (1) l’alta energia que calia aplicar a l’experiment per aconseguir generar la partícula i (2) l’ínfim temps de vida d’aquesta que no facilitava la seva detecció.
La primera qüestió suposava avançar en l’estat de la tècnica per assolir uns acceleradors de partícules que permetessin obtenir molt altes energies. Això s’ha assolit amb el LHC, col·lisionador que fins fa pocs anys no ha pogut ser desenvolupat i que, en part, es va construir amb l’objectiu de trobar aquesta partícula, a més d’altres pretensions, com la generació de microforats negres (d’això ja en parlarem un altre dia).
Quant a la insignificant vida del bosó i la seva indetectabilitat, es pot deduir la seva existència per les partícules en les que es desintegra en cascada immediatament després de crear-se, ja que aquestes perduren més i poden ser detectades. Cada partícula desintegrada dóna lloc a una empremta de decaïment específica, i per això pot ser identificada.
D’on ve el nom “Partícula de Déu?”
És un tema més o menys anecdòtic.
El premi Nobel Leo Lederman va publicar, cap als anys 90, un text de divulgació sobre la física i anomenava aquesta partícula “the Goddamn Particle”, és a dir, la partícula punyetera, per la seva dificultat en deixar-se descobrir.
L’editor del llibre, però, va decidir canviar el nom pel de “The God Particle” i així es va transmetre definitivament.
De totes maneres, deixant de banda els aspectes curiosos de la denominació, bé pot entendre’s com un pas molt important en la comprensió de l’Univers, com veurem més endavant; un pas diví?
Però, què són les partícules elementals?
L’àtom el coneixem com un nucli format per protons i neutrons orbitat per electrons. Són anomenades partícules subatòmiques. L’electró és una partícula que no es pot dividir en d’altres ni està formada per d’altres. Es tracta, doncs, d’una partícula elemental. En canvi, el protó i el neutró estan formats per altres partícules, els quarks, que, aquests sí, són elementals.
Seguint aquesta concepció n’hi ha més partícules elementals amb massa, fetes de matèria (o antimatèria). Totes elles s’anomenen fermions i com a exemple tenim l’electró, els quarks i els neutrins, entre d’altres.
D’altra banda, aquests fermions han de mantenir-se units o interaccionar entre ells a través de les quatre forces fonamentals anteriorment enunciades. D’això s’encarreguen uns tipus de partícules sense massa (realment no és així, ja que les de la interacció dèbil en tenen i d’explicar-ho s’encarrega precisament el bosó de Higgs), anomenades bosons, de les quals la més coneguda és el fotó, responsable de transmetre l’electromagnetisme. Uns altres bosons són els gluons i el gravitó, encarregat del camp gravitatori. El bosó de Higgs és, doncs, una d’aquestes partícules sense massa capaç d’explicar l’existència i comportament d’altres.
Per què serveix el bosó de Higgs?
Bàsicament explica per què els fermions tenen massa i per què existeixen diferències tant grans entre ells. Per exemple, comparant l’electró amb els quarks (n’hi ha diversos), aquests darrers mostren masses 650 a 350.000 vegades més grans.
Específicament, el bosó de Higgs és part inseparable de l'anomenat camp de Higgs. Perquè ens fem una idea, el camp de Higgs ve a ser com el camp gravitatori, que és per tot arreu, omple tot l’Univers i, poc o molt, ens afecta sempre (pesem, ens cauen els objectes, l’aigua dins d’un got que no vessa, l’òrbita de la Terra al voltant del Sol, la forma de les galàxies, l’energia necessària per enviar un coet a l’espai...). I la partícula que ho fa possible és el gravitó.
De manera anàloga, el camp de Higgs necessita d’una partícula que li doni raó de ser: el bosó de Higgs.
El que diu la teoria sobre el camp de Higgs és que la diferència de massa entre partícules ve donada per com interactua el camp de Higgs amb cada partícula, de manera que quan major és aquesta interacció, més pesada és la partícula.
Com a exemple, per a entendre-ho, suposem que volem fer bunyols de vent. Agafem una boleta de massa de bunyol i la posem en una paella amb no massa oli calent, de manera que l’oli amb prou feines arribi a la meitat del bunyol, deixant la resta sense que li toqui l’oli. Al costat tenim una fregidora plena d’oli calent on hi submergim completament una altra boleta de bunyol. Al cap d’un temps els dos bunyols s’hauran fet, però el segon s’haurà inflat molt més que el primer ja que l’oli interaccionava amb tota la massa, mentre que a la paella el contacte era menor. Així es pot representar la interacció entre el camp de Higgs (oli calent) a través del seu portador, el bosó de Higgs, i la matèria (partícules elementals amb massa; els bunyols).
Com s’ha aconseguit detectar-la?
El primer punt ha estat disposar d’un accelerador que permetés obtenir les altes energies de col·lisió que es necessitaven, de 126 GeV (això és molt per a una partícula): El LHC del CERN.
Després ha calgut crear ingents quantitats de xocs de partícules, 300 milions per segon, (i de dades per processar) per, estadísticament, generar la partícula que es buscava.
I després, un cop detectada, poder repetir el resultat com a mínim 20 vegades seguides; és a dir, la probabilitat que això succeeixi és menor del 0,00006%.
Doncs tot això s’ha aconseguit
Per què és tant important?
Perquè si no s’hagués pogut detectar, bàsicament caldria replantejar-se el Model Estàndard, amb la qual cosa el coneixement actual i predit de l’Univers a totes les escales hauria de ser revisat i, encara que existeixen alternatives, cap està tan desenvolupada, és tan coherent i, inclús, tan elegant, con aquest Model.
A banda, tot i aquest bon camí del Model Estàndard, aquest només és capaç de descriure el 4 % de l’Univers, és a dir, el que és composat per matèria “convencional” visible, mentre que el 96% restant és format per les desconegudes energia (73%) i matèria obscures (23%), i el bosó de Higgs ha de permetre començar a conèixer la naturalesa d’aquestes.
Pot semblar que un 4% de coneixement del que ens envolta és una nimietat, però, amb tota humilitat, quin % de tot l’Univers en som, nosaltres?
Aspectes finals
S’han de acabar d’analitzar les dades per donar un veredicte definitiu. De totes maneres, sigui un descobriment confirmat o no, el que és clar és que, si no ara, en breu es trobarà. El LHC només té un any de vida útil.
Per cert, la Wikipèdia en castellà i en anglès ja mostraven actualitzades el mateix dia del descobriment, les seves planes dedicades al bosó de Higgs.
Sobre les forces de la naturalesa, la matèria i antimatèria, l’energia i la matèria obscures, els forats negres... en parlarem més endavant.
