RESPUESTAS DESDE EL CERN 6

Después del lapsus estival os entregamos el resto de respuestas a las preguntas de nuestros alumnos...

16. ¿Alguien más está buscando el Bosón de Higgs? ¿Cómo se le busca? ¿Se ha puesto alguna fecha el CERN para dar con él? 

Hasta hace unos meses, el CERN “competía” con el laboratorio norteamericano Fermilab en la búsqueda del Higgs.

Desafortunadamente nuestros amigos americanos tuvieron que parar por razones económicas, así que ahora el CERN es el único laboratorio del mundo que puede encontrar el Higgs... ¡si existe! Se busca haciendo colisionar protones en el LHC a gran energía. Cuando dos protones colisionan hay una cierta probabilidad de que se desintegren y la energía que llevaban se encuentra disponible para la creación de nuevas partículas. Esta creación también es un proceso aleatorio. Para crear un Higgs, si existe, hay que generar muchos millones de colisiones. En caso de que exista, el CERN debería poder encontrarlo antes del final de este año (2012).

17. De las partículas fundamentales ¿cual es la de mayor tamaño? ¿y la más pequeña?
El tamaño es un concepto muy escurridizo en mecánica cuántica, que es la teoría que rige los fenómenos que ocurren a escala microscópica. El problema es que cada partícula tiene una cierta probabilidad de interaccionar con otra partícula que pase cerca, y esa probabilidad crece según la distancia entre ambas partículas decrece. Pero siguen siendo solamente probabilidades. En el mundo macroscópico estamos acostumbrados a que dos cuerpos se toquen o no se toquen. Si no se tocan, no hay interacción. Esto nos permite visualizar fácilmente el tamaño de los objetos. Decimos que un listón está a cinco metros de altura porque si quiero saltármelo con una pértiga será imposible a menos que mi salto sea de al menos cinco metros. Si salto un poco menos alto, será fácil darme cuenta porque tocaré el listón y éste se moverá. El mundo subatómico es más complicado, o menos acorde con nuestra intuición, lo cual es normal porque nuestra intuición la construimos a diario con observaciones del mundo macroscópico. Como he dicho, si una partícula pasa cerca de otra hay una cierta probabilidad de que interaccionen. Podríamos definir un tamaño diciendo que es, por ejemplo, la distancia a la cual tiene que estar la otra partícula para que la probabilidad de interacción sea el 50%. Pero esa probabilidad también depende del tipo de partícula que se aproxime y de la energía que lleve, así que cualquier intento de definición preciso sería un poco arbitrario. En general, un concepto menos escurridizo para clasificar las partículas de mayor a menor es su masa en reposo. Si tomamos esa magnitud física como referencia, la partícula elemental más pesada que se conoce en estos momentos es el quark Top, con una masa de 171.2 GeV/c2. Las más ligeras son los neutrinos de tipo muón, cuya masa no se conoce exactamente pero se sabe inferior a 0.17 MeV/c2. Bueno, esto si excluimos el fotón,  que es un bosón cuya masa es cero (por eso puede ir a la velocidad de la luz, pero eso es otra historia). Las unidades que se utilizan para estas masas son mucho más pequeñas que el gramo. Es sólo una
forma de asegurarnos que las masas de estas partículas en esas unidades son números más o menos manejables como 171.2 y 0.17. Si escribiéramos la masa del Top en gramos, sería 0,0000000000000000000003051910328 gramos, lo cual no es muy práctico.

18. ¿Qué implica encontrar una partícula que viaja a mayor velocidad que la luz como los neutrinos?
Las últimas mediciones de la velocidad de los neutrinos parecen desmentir el resultado del experimento OPERA en 2011. Es decir, que todo apunta a que los neutrinos no van más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Hay que decir que el resultado de OPERA habría sido completamente revolucionario de ser correcto, así que era muy importante que se sometiera al escrutinio de los físicos de todo el mundo y que otros experimentos intentaran replicar ese mismo resultado. Durante ese proceso se han encontrado un par de fallos en OPERA, que en principio explican el error en su resultado. Esto no es ningún drama, es como funciona la ciencia. Es una búsqueda continua de la verdad en la que la Naturaleza tiene siempre la última palabra.

 

Contrariamente a otras disciplinas como la Política, la opinión de unos y de otros cuenta más bien poco, y los desacuerdos tardan en general poco tiempo en solventarse a través de experimentos y razonamientos. Para volver a la pregunta: ¿qué habría significado encontrar una partícula que viaja más rápido que la luz en el vacío? Pues tendríamos que haber mejorado alguna de las teorías más importantes de la Física actual, como la Relatividad de Einstein. 

De lo contrario, el viaje más rápido que la luz habría dado lugar a muchas paradojas, como que viajar en el tiempo es posible, al menos para esas partículas tan rápidas. Lo que habría pasado seguramente es que algún Físico brillante habría encontrado una teoría que lo habría explicado y que a su vez habría hecho otras predicciones verificables. Pero bueno, como he dicho, actualmente todo apunta a que se trató de un error experimental.

19. ¿Es posible que en un futuro podamos descubrir que las partículas que ahora pensamos que no tienen estructura interna como los Quarks, sí que la tengan?
Por supuesto. Como he dicho antes, que nosotros no podamos ver algo con nuestra tecnología actual no significa que no exista. Decir lo contrario es pecar de soberbia y de ingenuidad.

20. ¿Es cierto que un grano de arena contiene tantas partículas como granos de arena podríamos encontrar en un desierto?
La Física es muy pocas veces una cuestión de opinión. La reacción de un Físico ante esta pregunta es poner los números sobre la mesa y calcular, así que manos a la obra: supongamos que el grano de arena es de 2.65 mg (el peso de un grano de sílice de 1mm3). La arena de playa o desierto suele ser en su mayoría sílice, o dióxido de Silicio (SiO2) que tiene una masa aproximada de unas 60 u (unidades de masa atómica) por molécula. Es decir, que una molécula pesa aproximadamente 10-22 gramos. O sea que en nuestro grano de arena de 2.65 mg hay unas 2.65·10^19 moléculas de sílice. Una molécula de sílice tiene 210 partículas elementales (quarks y electrones), así que en un granito de arena hay unas 5,6·10^21 partículas.

El desierto del Sáhara tiene una extensión de unos 9 millones de km2. Suponiendo que está cubierto por una capa de arena de 100 metros de alto de media, eso nos da un volumen de arena de 9·10^14 m3. Asumiendo que el volumen de un grano de arena es de 10-9m3 (un cubito de 1mm de lado), eso nos da un total de 9·10^23 granitos de arena en el desierto del Sáhara. O sea, que a primera vista hay más granos de arena en el Sáhara que partículas en un grano de arena típico, ¡pero no por mucho! Bueno, a lo mejor me he equivocado yo en los números... En cualquier caso, hay más partículas en un grano de arena que granos de arena en el desierto de los Monegros o el de Tabernas en España, o sea que sí, está así así la cosa. Es alucinante, ¿no?

21. La materia está formada por partículas fundamentales como quarks, gluones, etc... ¿podemos manipular estas partículas y combinarlas para formar nuevos átomos y elementos, o trastocar los existentes?
Sí, por supuesto. Si lanzas un neutrón hacia el núcleo de un átomo, hay una cierta probabilidad de que se incruste en ese núcleo y el resultado sea un isótopo distinto del original. Si haces que un haz de positrones se acerque a un haz de antiprotones (como se hace en el CERN), es posible que algún positrón se ponga a dar vueltas en órbita alrededor de un antiprotón, y habremos creado un átomo de anihidrógeno. Como hemos dicho antes, aglutinar partículas de cierta manera es sólo una de las manipulaciones posibles. También se puede provocar colisiones y observar lo que sale. De esos productos de colisión se pueden seleccionar algunos mediante campos eléctricos y magnéticos apropiados. Las posibilidades son múltiples.

22. ¿Se pueden o podrían crear átomos artificiales?
Sí, muchos de los átomos naturales se crean en las estrellas, donde las condiciones de presión y temperatura son tales que el proceso de fusión de dos núcleos para crear un tercero es bastante corriente. Si recreamos esas condiciones de manera artificial, veremos los mismos resultados. Hay algunos laboratorios en el mundo que son capaces de hacerlo. Así que si alguien os dice que estáis hechos de polvo de estrellas ¡no os creáis que es un poeta! Bueno, puede serlo, pero hay que saber que es muy cierto: ¡la mayoría de los átomos que forman vuestro cuerpo se crearon en una estrella!

23. ¿Podríamos descubrir más elementos químicos que los que conocemos?
Se pueden descubrir si existen ya y un día los encuentras. Esto no ha pasado desde hace mucho tiempo. Lo que sí que se ha hecho últimamente es crear nuevos elementos. Por ejemplo, nuestros amigos del laboratorio GSI, en Alemania, crearon el Copernicio en el año 1996.

 
Es un elemento de número atómico 112, y cuyo isótopo más estable tiene una vida media de 29 segundos, tras los cuales se desintegra y da lugar a otros núcleos más estables. En GSI crean estos nuevos elementos bombardeando una capa fina de un elemento con un haz muy energético de otro elemento. Cuando la energía del haz es suficientemente alta, las mismas condiciones que en las estrellas permiten que el proceso de fusión se lleve a cabo entre los núcleos de los dos elementos, produciendo un nuevo núcleo.

24. ¿A qué temperaturas podemos elevar la materia de manera artificial?
La temperatura es una manifestación en el mundo macroscópico (el que percibimos fácilmente con nuestros cinco sentidos) de un fenómeno más básico del mundo microscópico. Si por ejemplo te calientas una sopa en el microondas, lo que pasa es que un campo electromagnético bastante potente le transfiere energía a las partículas que forman la sopa. Estas se agitan, adquieren energía cinética, chocan entre ellas. La inyección de energía externa ha hecho que la sopa sea, a nivel microscópico, un mundo mucho más agitado que antes. Algunas de las moléculas de agua de la sopa adquieren tanta velocidad que se desligan de la fase líquida y salen volando. Ahora forman parte del vapor de agua, ese humillo que vemos subiendo del plato. Si acercamos la mano, notamos el calor. Son los choques de esas moléculas tan ajetreadas contra las moléculas de nuestra piel. O sea que lo que llamamos temperatura no es más que una medida de la velocidad media y la concentración de partículas que no vemos con nuestros ojos. Como sabemos que hay un límite tanto en la concentración espacial como en la velocidad a la que se pueden mover los cuerpos, debería haber un límite superior de temperatura. Las cosas no son tan simples.
Hoy sólo sabemos que a partir de una cierta temperatura, llamada temperatura de Planck, las leyes de la Física tal y como las conocemos hacen predicciones sin sentido, lo cual puede ser una indicación de que esa temperatura (entorno a los 1032 Kelvin) no se puede superar, pero también puede indicar simplemente que nuestras teorías actuales son incompletas. En cualquier caso, estamos muy lejos de poder producir esa temperatura artificialmente.

El lugar más caliente del mundo en este momento es el punto de colisión de los protones del LHC, que apenas llega a los 1017 Kelvin. Es decir, millones de millones de veces más caliente que el hierro fundido, pero miles de millones de millones de veces más frío que la temperatura de Planck.

 25. Los cambios de estado de la materia se producen por la variación de la temperatura ¿se puede encontrar algún estado de la materia superior al plasma?
¿Cómo definimos lo que es un estado de la materia y lo que no lo es? Vemos que el agua en estado líquido hace cosas (como no salirse de un vaso) que no hace en estado gaseoso, así que damos a esos dos estados nombres diferentes para entendernos y poder comunicar en la vida cotidiana. Por supuesto, hay diferencias objetivas a nivel microscópico entre el agua líquida y el vapor de agua, pero también las hay entre un cristal líquido y un sólido, y no tenemos al “cristal líquido” en la lista estándar de estados de la materia. Con esto quiero decir que hay por una parte lo que hace la materia bajo determinadas condiciones de presión y temperatura, y por otra parte cómo decidimos llamarlo. Con los plasmas pasa una cosa parecida. El plasma de las estrellas y el de nuestra tele de plasma es como un gas, excepto que los partículas que lo componen no son eléctricamente neutras: están cargadas.

Eso hace que cuando se le aplican campos electromagnéticos externamente, el plasma hace cosas “raras” que uno no esperaría que pasasen si fuese un gas normal. Y entonces, para facilitar la comunicación cuando se habla de un gas ionizado de ese tipo, se decide llamarlo “plasma”, y puesto que las desviaciones de comportamiento y propiedades con respecto a los gases neutros son bastante grandes y generalizadas para todos los tipos de plasma, se decide declarar que el plasma es un estado de la materia diferente de los demás. Por supuesto, no se puede excluir que según vamos avanzando en nuestra exploración de nuevas zonas de temperatura y presión, descubramos que bajo ciertas condiciones el comportamiento de la materia es diferente a todo lo que conocemos hasta ahora. En ese caso, habremos descubierto un nuevo estado de la materia.

GRACIAS DE NUEVO JAVIER, POR TODAS TUS RESPUESTAS!