Archive for the ‘Física’ category

Sonidos misteriosos

18 diciembre 2012

Hace 100 años el mundo era mucho más silencioso que en la actualidad. Hoy estamos acostumbrados al petardeo de las motos, los boom sónicos de los aviones, explosiones varias… Es algo que incluso queda reflejado en el cine: hay más nivel de ruido en las películas actuales que en las de hace 30 años. Es por eso que los extraños sonidos que en ocasiones nos regala la naturaleza quedan enmascarados o, simplemente, ignorados.

Uno de los más misteriosos recibe el nombre de mistpouffers en Francia, marina o brontidi en Italia, uminari en Japón o retumbos en Sudamérica. Se trata de explosiones que se escuchan en las costas de medio mundo y de las que existen registros de su existencia desde finales del siglo XIX. Lo único que se sabe de estos misteriosos estallidos es que deben estar relacionados con el mar, pues solo se escuchan en la costa. Cierta hipótesis postula que se trata de erupciones de gas natural provenientes de la parte de la placa continental que se encuentra bajo los océanos.

En este sentido, su origen sería el mismo al de los espeluznantes cañonazos llamados “cañones de los lagos”, pues se escuchan en algunos grandes lagos, como en el Seneca de Nueva York, y cuya antigüedad está atestiguada por las historias de los nativos americanos de la zona. En la década de los años 30 la revista Science publicó diferentes artículos donde se defendía que los “cañones del Seneca” tenían, con toda probabilidad, relación con “escapes” de las bolsas de gas natural existentes allí.

El fenómeno de los retumbos se escucha por todo el globo: desde la costa este canadiense a la desembocadura del Ganges -donde se les conoce como los cañones Barisal- pasando por la costa belga, diferentes lugares de Escocia y las Filipinas. En Italia a finales del siglo XIX se escuchaba el siguiente refrán: “Cuando tuona la marina o acqualo, vento o strina” (Cuando suena la marina -el océano retumba-, espera lluvia, viento o calor). Según un artículo publicado en el Monthly Weather Review por A. Cancani en 1898, en Italia “el intervalo entre sucesivas detonaciones es variable… parecen oirse en cualquier época del año y momento del día” y no se encuentran asociadas a un mar tormentoso pues se escuchan con bastante frecuencia durante un mar en calma.

De todos los retumbos los más famosos son los que se escuchan en el delta del Ganges, especialmente de febrero a octubre y que aparecen justo antes, durante o inmediatemente después de las tormentas y siempre parecen venir de dirección sur o sudeste. Algunos científicos que se han interesado por estas explosiones señalan que todas estas características apuntan a un origen sísmico, aunque este tipo de detonaciones sea más común en zonas montañosas.

Pero de todos los misteriosos sonidos que podemos escuchar por el planeta seguramente ninguno es más hipnotizador que las arenas musicales de algunos desiertos, como sucede en el Sinaí: cuernos, campanas, gruñidos incluso ladridos. ¿Será éste el origen de la leyenda del suspiro matutino de la Esfinge? Nadie ha podido explicar convincentemente el misterioso mecanismo de acción que hace que en un lugar suena como un ladrido y en otro como la dulce flauta del dios Eolo. Las arenas musicales representan un peculiar (y nada estudiado) subproducto de la geología. Y es que nuestro planeta oculta muchos fenómenos naturales que desafían a nuestros científicos.

¡Arrástrame, nena!

9 marzo 2012

En 1915 los físicos matemáticos europeos estaban emocionados. Albert Einstein había lanzado a la arena de la física una nueva teoría, la relatividad general, que explicaba qué era la gravedad: una deformación del espacio debido a la presencia de objetos con masa. Para los teóricos las ecuaciones de Einstein eran hermosas y todo un reto, pues había que resolverlas para diferentes situaciones físicas. Ese mismo año el austríaco Karl Schwarzschild, desde el frente ruso –estábamos en la I Guerra Mundial-, obtuvo las soluciones para un objeto muy masivo sin rotar: acababa de descubrir la existencia teórica de un agujero negro.

Pero todo el mundo sabía que los objetos celestes giran sobre su eje. ¿Cómo introducir este hecho en las ecuaciones? Fue Einstein, con la inapreciable ayuda de sus amigos Marcel Grossmann y Michele Besso, el primero en introducir la rotación en su teoría. Dos años más tarde, en 1917, el austríaco Hans Thirring comenzó un cuaderno titulado Wirkung rotierender Massen, el efecto de las masas en rotación. Era un trabajo puramente teórico en el marco de la relatividad general; para buscarle las posibles aplicaciones astronómicas habló con Josef Lense. Entre sus conclusiones se encuentra lo que hoy se conoce como el efecto Thirring-Lense, aunque la clave que necesitó para progresar en su trabajo se la dio el propio Einstein en una carta del 2 de agosto de 1917: quizá sería más apropiado añadir el nombre del genio alemán a este efecto.

Sea como fuere, el efecto Thirring-Lense describe lo que sucede al espacio-tiempo cercano a un objeto cuando está en rotación. En esencia lo que se produce es un efecto de arrastre, similar al que sucede con la atmósfera de nuestro planeta: el aire que nos rodea es acarreado solidariamente a nosotros con la rotación de la Tierra. Si no fuera así, si la atmósfera se mantuviera estática mientras ella gira, notaríamos soplar sobre nuestras cabezas un viento que en el Ecuador alcanzaría los 265 km/h. Con el tejido del espacio-tiempo sucede lo mismo. Planetas y estrellas, al girar, arrastran consigo la zona más cercana a ellos. De este modo, si observáramos desde la lejanía un reloj que girase con el Sol veríamos que adelanta respecto al nuestro. Y, del mismo modo, la velocidad de la luz en el sentido de rotación es mayor que en el contrario.

Desde aquel lejano 1917 el efecto Thirring-Lense no ha dejado de ser una curiosa predicción teórica imposible de probar experimentalmente. En 1976 Van Patten y Everitt propusieron que para hacerlo se podrían usar dos satélites equipados con giróscopos de precisión que orbitaran en sentidos contrarios. La medición exige ser muy precisa pues casi es indetectable –de una doceava millonésima parte de un grado-, y además está enmascarado por otros efectos: desde los no gravitacionales, como tensiones en el aparato, vibraciones…, a minúsculas variaciones en el campo gravitatorio terrestre debido a que nuestro planeta no es una esfera perfecta.

En 1998 y luego en 2004 un equipo de la Universidad de Lecce (Italia) liderado por Ignazio Ciufolini y Erricos C. Pavlis del Joint Center for Earth System Technology de los EE UU observaron los desplazamientos en las órbitas de dos satélites geodésicos, LAGEOS 1 y LAGEOS 2 usando telemetría láser. “Nuestras medidas concuerdan un 99% con lo predicho por la relatividad general, siendo nuestro margen de error de más menos un 5%”, dijo Pavlis.
Sin embargo no todo el mundo está convencido de que hayan conseguido medir este elusivo efecto de la relatividad. Algunos piensan que este experimento, que utilizó datos de 11 años de observación, no fue lo suficientemente fino. Para poder hacerlo deberíamos de disponer de un modelo del campo gravitatorio terrestre real tan preciso como en una parte en una diezmillonésima.

Así que el 13 de febrero se lanzó el satélite italiano LARES, LAser Relativity Satellite. Lleva una esfera de tungsteno con 92 retroreflectores que permiten seguir su movimiento desde la Tierra con mucha precisión. Se colocará a 1.400 kilómetros sobre la superficie y su trayectoria será monitorizada por la red de estaciones de telemetría láser repartida por todo el globo International Laser Ranging Service. Con un diámetro de poco más de 36 centímetros y un peso de 400 kilos pretende medir el efecto Thirring-Lense con una precisión de 1%, según cuenta el director de la misión, el italiano Ciufolini. Pero tampoco en este caso todos están de acuerdo: muchos consideran una previsión demasiado optimista y creen que la exactitud de este método no dará más de un 10%. Esto es debido a que el LARES va a ser colocado en una órbita mucho más baja que los anteriores LAGEOS y, por tanto, será más sensible a las sutiles variaciones en el campo gravitatorio provenientes de la naturaleza no-esférica de la Tierra en rotación. El tiempo dirá quién tiene razón.

Neutrino: ¿la partícula que destruirá la física del siglo XX?

3 marzo 2012

(Texto original del artículo aparecido en diciembre de 2011 en la revista Muy Interesante

El viernes 23 de septiembre de 2011 un grupo de físicos italianos anunciaba al mundo que unas elusivas partículas subatómicas llamadas neutrinos había roto la barrera cósmica para la velocidad que estableciera Albert Einstein en 1905: la velocidad de la luz. El día anterior por la noche habían publicado en ArXiv.org, un archivo donde físicos y matemáticos publican sus borradores de artículos científicos, el análisis de su experimento. Hacía tiempo que la comunidad de físicos teóricos no se alteraba tanto. La última vez fue en 1997, cuando Perlmutter y Schmidt descubrieron que la expansión acelerada del universo y que ha sido motivo del pasado premio Nobel de Física.

Pero se trataba de una excitación modulada: nadie se creía que realmente se hubiera roto uno de los sacrosantos pilares de la física moderna. Debía haber algún error en el experimento. Chang Kee Jung, un físico experto en neutrinos de la Universidad de Stony Bok en Nueva York lo expresó de forma muy gráfica: “No apostaría a mi mujer y a mis hijos, pero apostaría mi casa”. La apuesta de la mayoría de los físicos es que se dio algún tipo de error sistemático, la bestia negra de la ciencia experimental: quizá algún defecto en el instrumental, un fallo en el proceso de medición…

No es raro que el epicentro de este revuelo sean los neutrinos. Son unas partículas que desde que el físico alemán Wolfgang Pauli predijo su existencia allá por 1931 no han dejado de provocar quebraderos de cabeza a los físicos de partículas. Primero, es una partícula que interacciona muy débilmente con la materia: se le ha definido como un cuchillo muy afilado sin mango… y sin hoja. Sería capaz de atravesar un muro de plomo de varios cientos de miles de millones de kilómetros de espesor como si fuera aire. O dicho de otro modo: de los neutrinos provenientes de las reacciones nucleares que se producen en el interior del Sol sólo detectamos uno de cada 5.000 millones de ellos… una vez que han atravesado la Tierra. Es por eso que la confirmación de su detección se produjo 20 años más tarde, en 1956, por Clyde Cowan, Jr. y Fred Reines –descubrimiento que le valió el Nobel a Reines en 1995; Cowan había muerto en 1974–.

Semejante dificultad a la hora de detectarlos ha obligado a los físicos a tomar dos decisiones. La primera, utilizar grandes detectores: cuanta más masa tenga, más probable es que un neutrino despistado choque con algún átomo. Así, en Japón se encuentra Super-Kamiokande, un detector que contiene 50.000 toneladas de agua. La segunda es enterrar el detector en el lugar más profundo posible para blindarlo de manera que nada perturbe su detección. Es la misma situación que se nos presenta cuando queremos charlar con un amigo afónico: el ruido de otras conversaciones en un bar atestado de gente nos impide oír su voz; para escuchar el susurro de los neutrinos debemos ir a un lugar silencioso. Por eso los físicos se van a minas –Kamioka en Japón, Homestake en EE UU o Sudbury en Canadá– o túneles bajo montañas –Gran Sasso en Italia o Canfranc en España–.

En 1968 a Ray Davis, del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE UU), se le ocurrió que sería interesante estudiar los neutrinos que salen del interior del Sol. Debido a las reacciones nucleares de fusión que se producen en el corazón de la estrella, cada vez que cuatro núcleos de hidrógeno se convierten en uno de helio se producen dos neutrinos, que inmediatamente escapan al espacio. Davis pretendía entender lo que sucede en el centro del Sol y se encontró con una sorpresa: su equipo detectaba solo el 30% de los neutrinos que la teoría predecía que debían llegar a la Tierra. Bautizado con el nombre de “el problema de los neutrinos solares”, fue confirmado en 1989 por el experimento japonés Kamiokande -precursor del actual Super-Kamiokande–. En 2002 el experimento SNO, en Sudbury (Canadá) demostró que la cantidad de neutrinos recibidos en la Tierra del tipo que la teoría predice que deben ser producidos por el Sol es un tercio del número total de neutrinos que llegan. ¿Qué estaba ocurriendo? Algo que el italiano Bruno Pontecorvo había predicho en 1957: la oscilación del neutrino.

La cuestión es que existen tres tipos de neutrinos y el equipo de Davis detectaba solo uno de ellos. La única forma de explicarlo sin echar abajo todo lo que sabemos sobre reacciones nucleares es que durante el viaje a la Tierra el neutrino cambia de traje y se convierte en uno de los otros dos. La solución es elegante y en 1998 un equipo de físicos japoneses y norteamericanos había demostrado en Super-Kamiokande que tal oscilación se daba con los neutrinos producidos en la atmósfera por las colisiones de los rayos cósmicos.

Que el neutrino oscile ha hecho que los físicos de partículas miren hacia otro lado cuando se habla de ello. Y no es para menos, porque si oscila es que tiene masa. Muy pequeña, eso sí, pero no nula. Como mucho, menos de una millonésima parte de la masa del electrón. Y eso son muy malas noticias para el cuidadoso edificio que los científicos han construido para explicar el mundo subatómico y que recibe el nombre de el Modelo Estándar. Según él, la masa del neutrino es estrictamente cero. Y ahí están los datos experimentales sacándoles la lengua y exigiendo un cambio, quizá radical, en la física de partículas. Un cambio que aún no se ha dado.

La masa del neutrino tiene otras consecuencias. Si no la tuviera se movería a la velocidad de la luz, como predice la teoría especial de la relatividad de Einstein –que explica lo que sucede cuando nos viajamos a velocidades cercanas a la de la luz-. Que tenga masa, aunque sea muy pequeña, implica que debe moverse más despacio que la luz. Y aquí es donde surge el nuevo problema.

Diez años antes de la rueda de prensa de septiembre, el físico chino Guang-Jiong Ni de la Universidad Fudan en Shangai, publicaba varios artículos teóricos en los que defendía que en el universo podían existir partículas superlumínicas y afirmaba claramente que una de esas partículas era el neutrino. En 2007 el experimento norteamericano MINOS, diseñado para estudiar la oscilación del neutrino enviando un chorro de estas partículas desde el Fermilab de Chicago hasta Minnesotta, a 724 km, observó ciertos indicios que apuntaban a una velocidad superior a la de la luz, pero el error en la medición no permitía lanzar las campanas al vuelo. En 2011, los italianos del experimento OPERA (acrónimo del inglés Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), con un detector de 1.800 toneladas también destinado a estudiar la oscilación el neutrino, volvieron a la carga.

Esta vez se enviaron chorros de neutrinos desde las instalaciones del CERN en Ginebra hasta los túneles de Gran Sasso, en el centro de Italia. Este viaje de 730 kilómetros fue realizado en menos de 3 milisegundos, así que uno puede imaginarse la precisión con la que se deben hacer las mediciones. Según el equipo italiano, los neutrinos llegaron 60 nanosegundos -60 milmillonésimas de segundo- antes de lo que haría la luz. Y no solo eso, sino que afirmaban que sus resultados tenían una significancia estadística de 6-sigma, una manera de estimar la validez estadística de un resultado. Un valor de 5-sigma es suficiente para aceptar un resultado experimental y 6-sigma es para descorchar botellas de champán. Pero eso en un experimento normal, no en uno con el que se pretende volar por los aires una de las teorías científicas fundamentales del siglo XX.

La comunidad científica recibió estos resultados con escepticismo: hay que esperar otros experimentos que lo confirmen o desmientan. Muchos piensan que se ha cometido un error garrafal, pues este comportamiento del neutrino no cuadra con otros perfectamente conocidos. Por ejemplo, el chorro de estas partículas que se recibió en la Tierra cuando el 23 de febrero de 1987 estalló una supernova en una de nuestras galaxias satélites, la Gran Nube de Magallanes, situada 168.000 años-luz. Los neutrinos llegaron a nuestro planeta 3 horas antes que la luz del estallido debido a que los fotones no poseen esa habilidad fantasmagórica de los neutrinos de atravesar la materia sin interaccionar con ella –esto también sucede en nuestro Sol: los neutrinos creados en su núcleo salen inmediatamente pero los fotones tardan un millón de años en llegar a la superficie–. Si realmente los neutrinos viajaran más rápido que la luz, los hubiéramos recibido 4,14 años antes, según ha calculado el físico Ben Still de la Universidad de Londres.

Toda una avalancha de artículos ha ido apareciendo para desmontar lo que podríamos llamar el caso de los neutrinos superlumínicos. No solo porque a los físicos les parezca pretencioso acabar con la teoría especial de la relatividad, un pilar fundamental de la física moderna, sino porque si fuera así caería uno de los principios más queridos de la ciencia, la causalidad. La razón es bien simple: toda partícula que viaje más rápido que la luz, viaja hacia atrás en el tiempo. La caída de esa barrera cósmica que es el valor de la velocidad de la luz permitiría a un tren llegar a la estación antes de salir, y eso es algo que no se puede aceptar en base a unos pocos experimentos muy sensibles a errores experimentales. Habrá que esperar.

(Nota: Recientemente se ha apuntado la fuente de error que todos estaban buscando: las medidas de GPS.)

Más rápido que la luz

18 febrero 2012

Nada puede viajar más rápido que la luz. Esta frase, conocida por todos y así expresada, no es cierta. Y no por los últimos y polémicos experimentos con neutrinos.

Pero volvamos a la frase inicial. La prueba de que se puede viajar más deprisa que la luz la tenemos en la llamada radiación de Cerenkov, ese resplandor azulado que puede verse en las piscinas donde se almacena el combustible usado en las centrales nucleares. Nombrada así en honor al científico ruso Pavel Alekseyevich Cerenkov, que la caracterizó con precisión y por lo que recibió el Premio Nobel en 1958, se produce cuando partículas cargadas eléctricamente atraviesan un material –en las centrales nucleares es el agua– a una velocidad superior a la de la luz en ese medio. Esto es lo importante y por eso falta una coletilla para que la frase del principio sea correcta: nada puede viajar más rápido que la luz en el vacío. No está prohibido que se pueda ir más deprisa que ella en el agua, aire, cristal, plástico…

El problema está en qué significa la palabra vacío, porque hay muchos tipos de vacío. El que nosotros conocemos, el que se consigue de manera cotidiana en nuestros laboratorios y que podemos encontrar en el espacio, no es el único que puede existir. De hecho, el vacío no es lo que todos imaginamos: ausencia de energía y materia. Si hacemos uso de las leyes de la física de lo muy pequeño encontramos que el vacío posee una energía conocida, verbigracia, como energía del vacío. Si conseguimos rebajarla de alguna forma, conseguiremos que la luz viaje más deprisa que esos míticos 300.000 km/s. Esto sucede, por ejemplo, cuando colocamos dos láminas de metal bien bruñidas y separadas escasamente el diámetro de un átomo. Es el vacío de Casimir y la teoría establece que en ese ultradiminuto espacio la luz debe viajar más deprisa. Claro que aún no tenemos la tecnología necesaria para comprobar esta predicción.

Raro, pero raro raro

23 enero 2012

Julio de 1851. Condado de Washington, Maryland (EE UU). Un destello de luz sacudió un árbol donde estaba posado un petirrojo y debajo había una oveja, matando a ambos animales. Cuando se esquiló la oveja muerta se descubrió que sobre la piel e incluso en la misma carne debajo había quedado impresa la figura del petirrojo, incluso los bordes de las plumas de sus alas.

17 de agosto de 1876. Bahía de Ringstead. Inglaterra. Entre las 4 y 5 de la tarde dos mujeres paseando por el acantilado vieron cómo las rodeaban esferas de luz del tamaño de bolas de billar moviéndose arriba y abajo, siempre evitando ser cogidas. Su número cambiaba, llegando a miles y nunca menos de 20.

21 de enero de 1913. Barco RMS Balmoral Castle, ecuador atlántico. Lewis Evans observa un halo alrededor de la luna que no es esférico sino cuadrado.

1 de enero de 1953. Barco MV Glenbank, cerca de Seychelles. Los tripulantes ven un arco iris por la noche, con luna llena, y poco después otro arco de color blanco junto a ella, muy brillante.

9 de mayo de 1937. Barco MS Hauraki. Papeete, Bora Bora. Un espejismo hace aparecer la isla de Tahití a una distancia aparente de casi 70 km cuando en realidad estaba a más de 400.

22 de enero de 1943. Rapid City, Black Hills, Dakota del Sur. En 10 minutos la temperatura subió 16 grados, de -20º a – 4 ºC.

Enero de 1944. Cabeza de playa de Anzio, Italia. Durante y justamente después de un intenso fuego antiaéreo, en un cielo sin nubes y con el Sol a su espalda, V. S. Taylor vio las clásicas ondas concéntricas atravesando la zona cubierta por el humo de artillería. Eran las huellas de las ondas sonoras de las baterías.

2 de agosto de 1966. Greenfield, New Hampshire. Inglaterra. Llovió torrencialmente sobre la casa del meteorólogo R. H. Stanley durante dos horas y media. Y solo en un entorno de 300 metros.

(Ref.: Handbook of Unusual Natural Phenomena, W. R. Corliss, Random House, 1995)

¿Qué es el calor?

18 enero 2012

Desde la noche de los tiempos los humanos nos hemos estado preguntando acerca del significado del calor y aún hoy en día muchos de nosotros nos sentimos incapaces de definirlo. Quizás veamos más fácil hacerlo si imaginamos la materia compuesta por innumerables y pequeñísimas pelotitas: los átomos. Entonces el calor no es otra cosa que el reflejo en el mundo que conocemos de los rapidísimos e imperceptibles movimientos atómicos. De hecho, cuanto más rápidos se mueven los átomos de un gas, mayor es la temperatura que podemos medir.

Esta interpretación del calor en términos de la constitución atómica de la materia viene desde tiempos del griego Demócrito. Pero el primer planteamiento razonablemente serio se lo debemos al inglés John James Waterson. En 1845 presentó un trabajo en la presitigiosa sociedad científica Royal Society, donde demostraba que la presión de un gas sobre las paredes de un recipiente se podía explicar en función de los choques de las moléculas del gas contra ellas. El trabajo fue rechazado y archivado porque para sus colegas de la Sociedad les era difícil creer que los átomos se pudieran mover libremente por el interior del recipiente, de pared a pared, y que las propiedades de los gases se redujeran a simple mecánica.

Waterson también actuó con poca previsión al olvidar mencionar que el gran Daniel Bernoulli había escrito algo parecido en su clásico tratado de 1738 Hidrodinámica. Quizá si lo hubiera mencionado sus colegas de la Royal Society se lo hubieran pensado un poco más antes de rechazarlo.

Pero las desgracias nunca llegan solas. Lo mismo sucedió con su ponencia ante la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en su reunión anual de 1851. En ella dijo que dos gases tienen la misma presión y temperatura cuando tienen el mismo número de átomos por unidad de volumen y cuando la energía asociada al movimiento de los átomos, o sea, la energía cinética de cada átomo, es la misma.

Aunque ahora sabemos que esta sugerencia era esencialmente correcta, acababa de comparar dos magnitudes que, al parecer de sus honorables colegas, eran imposibles de comparar: la energía asociada al movimiento de las partículas con la temperatura del gas. De este modo daba respuesta a una incógnita planteada desde hacía 2.000 años: ¿qué es la temperatura?

Su trabajo durmió el sueño de los justos hasta que en 1892 John William Strutt, tercer barón Rayleigh, lo descubrió en los archivos y lo publicó en la revista de la Real Sociedad. Pero Waterson ya no estaba para verlo. Este ingeniero que marchó a la India en 1839 contratado por la Compañía de las Indias Orientales y que regresó a su natal Edimburgo en 1857 para dedicarse en cuerpo y alma a la ciencia del calor, desapareció sin dejar rastro el 18 de junio de 1883. Nunca más volvió a aparecer.

¿Qué es el Higgs?

20 diciembre 2011

Después de un tiempo de dieta más o menos estricta subimos a la báscula con la esperanza de que el número que aparezca sea menor que el de hace unos meses: queremos perder peso, que es el resultado de multiplicar nuestra masa por la fuerza de la gravedad. ¿Pero qué determina nuestra masa? Todos sabemos que la materia está hecha de moléculas y las moléculas de átomos. Estos, a su vez, se organizan como una nube de electrones de una cien millonésima de centímetro de tamaño que rodea a un núcleo una cienmilésima aún más pequeño. Este corazón central no es otra cosa que un conglomerado de neutrones y protones cuya masa particular es miles de veces mayor que la de los electrones.

Hasta este punto los físicos tiene las cosas claras: saben, con mayor o menor precisión, por qué el átomo es como es. Lo que se les resiste es entender por qué neutrones, protones y electrones tienen las masas que tienen. Puede parecer una pregunta bizantina, como aquella discusión medieval sobre cuál era el sexo de los ángeles, pero los físicos teóricos tienen algo de teólogos y esta cuestión les carcome desde hace medio siglo.

Veámoslo de otro modo. ¿Qué determina que una piedra, o una margarita, tengan el tamaño que tienen? Esencialmente, lo grandes que sean las moléculas con que están hechas, que a su vez depende de los átomos que las componen. ¿Y el tamaño de los propios átomos? La teoría atómica nos dice que eso es función de la nube de electrones que orbita alrededor del núcleo, cuyas dimensiones están definidas por la masa de los propios electrones. Si tuviera un valor más pequeño, esas órbitas serían menores y todo tendría dimensiones más reducidas. Por eso es importante, dicen algunos científicos, comprender la masa del electrón: nos permite entender el tamaño del mundo que nos rodea. Y quien dice la masa del electrón habla de la de todas las partículas elementales. Hay muchas y con enormes diferencias entre ellas: la más pesada (el quark top) tiene una masa 350.000 veces mayor que la más ligera (el electrón).

El problema es de órdago. Podemos desarrollar una teoría que describa las partículas elementales y las interacciones que surgen entre ellas, pero exige que la masa de todas las partículas sea cero. Este hecho hace que la cuestión tenga un enorme atractivo entre los físicos: tienen una teoría que les dice que todas las masas deberían ser cero y el mundo real les lleva la contraria, hasta tal punto que existe una enorme disparidad de masas. Estos son los puzzles que encantan a los teóricos.

En 1963 el británico Peter Higgs propuso una elegante solución al problema. Todo el universo está repleto por un campo, parecido al electromagnético, que llena nuestras vidas. Así que antes de continuar debemos explicar el significado de “campo”, uno de los conceptos más importantes de la física e introducido por el físico inglés Michael Faraday en el siglo XIX.

Nosotros no nos damos cuenta, pero el espacio que nos rodea no está ocupado sólo por la materia. Si pudiéramos sacar toda la que existe en nuestro dormitorio, hasta la última mota de polvo y la última molécula de aire, no podríamos decir que en esa habitación no hay nada. La prueba palpable es que si lanzamos una pera, caerá al suelo: en nuestra habitación hay “algo” que la hace caer. Da igual el lugar desde donde la soltemos: la pera irá directa al suelo desde cualquier punto de la habitación; está llena con algo que llamamos gravedad. Dicho más correctamente, en nuestro dormitorio hay un campo gravitatorio. ¿Cuál es la causa de que esté ahí? Evidentemente, el planeta que tenemos a nuestros pies.

Pero no sólo eso. Si lanzamos en línea recta una partícula con carga eléctrica, como un electrón, y analizamos con cuidado su trayectoria, podremos distinguir que, al igual que pasó con la pera, “algo” modifica su camino y no se trata de la gravedad. Si repetimos muchas veces el experimento nos daremos cuenta que ese “algo” solo influye a las partículas que tienen carga eléctrica; las neutras no se enteran de nada. Acabamos de descubrir que existe otro campo, el electromagnético, que únicamente afecta a las partículas con carga. ¿Cuál es su origen? Una suma de distintas situaciones: el magnetismo terrestre, los campos electromagnéticos producidos por las antenas de telefonía móvil, los televisores, las emisoras de radio, el cableado de la casa, los electrodomésticos de la cocina… En definitiva, lo que llamamos fuerza (ya sea gravitatoria, eléctrica o magnética) no es otra cosa que el efecto visible sobre la materia de un campo que llena el espacio. Y más importante aún: la materia posee diferentes propiedades (en nuestro caso hemos descubierto dos, la masa y la carga) que la hacen sensible a los diferentes campos que existen; si no posee alguna de ellas (por ejemplo, que su carga eléctrica sea cero) el campo correspondiente no la influye. Es como si no existiera.

Aclarado este punto, volvamos a la propuesta de Higgs. Su idea fue revolucionaria, a pesar de que en un principio ni él mismo fue consciente de ello: existe un campo que llena el espacio y cuando las partículas interaccionan con él adquieren lo que parece ser masa. Es algo parecido a las fuerzas viscosas que siente una canica si se deja caer en un tarro de miel. Cuanto más interacciona la canica con la miel más despacio se mueve; en el caso del campo de Higgs, cuanto más interaccionan las partículas con él, más masa parecen tener. No obstante, hay partículas que pasan prácticamente desapercibidas y por eso tienen muy poca masa (el neutrino) o ninguna (el fotón).

La idea es totalmente contraintuitiva. ¿No es la masa una propiedad intrínseca de la materia? ¿Es que hay “algo” que reparte masa como los Reyes Magos reparten caramelos entre quienes están viendo la Cabalgata? Para entenderlo los físicos suelen recurrir a la siguiente analogía. Imagine que se encuentra en una fiesta de Hollywood. De repente entra Jessica Alba. Quienes están junto a la puerta se dan cuenta, empiezan a acercarse para entablar conversación con la estrella y se agrupan en torno a ella. A medida que se mueve por la sala los asistentes más cercanos se ven atraídos por la actriz y se acercan, y cuando se aleja de ellos regresan a sus conversaciones iniciales. De este modo la joven diva de Hollywood se mueve con más dificultad por la sala que si estuviera sola y le cuesta más ponerse en movimiento una vez que se ha detenido para responder a las preguntas, pues todos intentan acaparar su atención. Este efecto de acúmulo de personas alrededor de Jessica Alba es el mecanismo de Higgs.

Pero démonos cuenta que lo que acabamos de describir es, nada más y nada menos, la forma en que funciona lo que llamamos masa. No sólo es un concepto que sirve para calcular el peso en una báscula, sino que es la manera que tenemos de determinar la resistencia de un cuerpo a cambiar su estado de movimiento, la inercia. Su efecto lo notamos todos los días en el autobús: cuando arranca sentimos cómo nos vamos hacia atrás y si da un frenazo nos vemos impelidos hacia adelante. Cuanta más masa tengamos mayor será esa resistencia y por eso la distancia de frenada de nuestro coche con el maletero lleno es más larga que si vamos de vacío. Así sentimos ese campo de Higgs. Como dice el teórico Brian Greene, “las fuerzas que todos ejercemos miles de veces al día para cambiar la velocidad de un objeto son fuerzas que luchan contra la fricción del océano de Higgs”.

La teoría dice que este peculiar campo llena el universo y afecta a todas las partículas que se mueven en él, de manera que les aporta masa. No podemos negar que es algo raro, pero no demasiado. Los físicos de materia condensada, aquellos que estudian las propiedades de estructuras sólidas como los cristales de cuarzo, saben que al pasar un electrón a través de una estructura cristalina su masa se puede incrementar hasta en un factor 40. Lo mismo parece suceder con el campo de Higgs: una partícula que se mueva por él crea una pequeña distorsión -la gente que rodea a Jessica Alba en la fiesta- y eso le da la masa. Es la varita mágica del hada madrina de la física.

¿Podemos saber si este campo de Higgs existe? Responder nos lleva directamente a un resultado bastante increíble de la teoría cuántica. Para entenderlo debemos recurrir a la siguiente analogía. Si queremos comunicarnos con un amigo podemos hacerlo de cuatro formas: de viva voz, por teléfono móvil, por correo electrónico o por carta. Cada una de ellas posee un objeto característico que transporta la información: el aire, las microondas, el cable ADSL y el papel. Con las partículas subatómicas sucede algo parecido. Las relaciones que puede haber entre ellas las llamamos fuerzas. En la naturaleza hay cuatro: la gravedad, la electromagnética y dos fuerzas nucleares; la fuerza fuerte, que mantiene el núcleo unido, y la débil, responsable de un tipo de desintegración radiactiva llamada desintegración beta. Pues bien, cada una de esas formas de comunicarse lleva asociado un objeto, una partícula, responsable de transportar la información. En el caso de la electromagnética la partícula es el fotón, para la gravedad es el gravitón y en la fuerza fuerte, el gluón (del inglés glue, pegamento). El caso de la débil es especial porque no es una sino tres partículas las portadoras, los bosones W+, W- y Z0.

Para comprender el funcionamiento de una fuerza en esta descripción volvamos a nuestro dormitorio vacío. En el momento que metemos la pera la existencia del campo gravitatorio hace que la pera y la Tierra comiencen a comunicarse. ¿Cómo? Intercambiando gravitones como dos niños que se lanzan bolas de nieve. De esta manera la pera “se entera” que está sumergida en un campo gravitatorio. Del campo electromagnético ni se entera porque al no tener carga neta es como si no tuviera las manos específicas para recoger los fotones que le están enviando.
Ya estamos en condiciones de responder a la pregunta sobre cómo podemos demostrar la existencia del campo Higgs: encontrando su partícula portadora llamada, a la sazón, bosón de Higgs. Desde el CERN en Ginebra hasta el Fermilab de Chicago, los físicos de partículas llevan dos décadas intentándolo.

La búsqueda comenzó en los 1980, cuando se asentó el llamado modelo estándar de la física de partículas. El trabajo de los teóricos en las décadas anteriores había conseguido poner orden en el complicado mundo subatómico que estaba surgiendo de los aceleradores de partículas. Se había superado la crisis de los años 60, cuando estos inmensos instrumentos se dedicaban a poner en serios aprietos a los investigadores al producir más y más partículas cada vez que se enchufaban. Entonces hablar de ‘partículas elementales’ era motivo de cachondeo. Pero entró en juego el físico Murray Gell-Mann y en 1962 anunció una forma de agrupar las partículas que llamó “el Camino Óctuple”, en clara alusión a la filosofía budista. Su teoría –también formulada independientemente por el israelí Yuval Ne’eman- predecía una nueva partícula, Ω-, que fue descubierta al año siguiente. Dos años después Gell-Mann perfeccionaba su teoría y lanzaba al ruedo de la física de partículas elementales los quarks. De este modo los físicos ya eran capaces de responder a la pregunta planteada por los filósofos griegos hacía más de 2.000 años: ¿de qué está hecha la materia?

El marco teórico de referencia es el modelo estándar, que podemos resumir así. Existen dos estirpes principales de partículas elementales: los quarks, de seis ‘sabores’ y agrupados en tres familias de dos -up (arriba) y down (abajo), strange (extraño) y charm (encanto), bottom (valle) y top (cima)-, y los leptones (del griego, ligero), también de seis ‘sabores’ -el electrón y su correspondiente neutrino, el muón y el neutrino muónico, el tau y el neutrino tauónico (los neutrinos son partículas capaces de atravesar un muro de plomo de varias decenas de años-luz de grosor sin enterarse)-. Los leptones se pueden encontrar solos en la naturaleza mientras que los quarks nunca lo hacen: siempre aparecen en parejas o en tríos (como es el caso del neutrón y el protón) y se mantienen unidos mediante los gluones. Son los ladrillos con los que se construyen el resto de las partículas.

Ya tenemos explicadas las partículas ¿pero y las fuerzas? A finales de la década de los 70 Glashow, Salam y Weinberg demostraron que el sueño de todos los físicos teóricos del mundo podía ser cierto: reunir bajo una única descripción matemática las cuatro fuerzas de la naturaleza. El primer y esperanzador paso dado por estos tres físicos fue encontrar una forma de describir bajo una misma formulación la fuerza electromagnética y la débil. Entre las predicciones de su “teoría electrodébil” se encontraban los transmisores de la fuerza débil, los bosones W+, W- y Z0. Pero el pronóstico venía con sus propios problemas. Si estas partículas existían debían tener unas masas muy elevadas y eso colocaba en un punto peligroso al modelo estándar. La fuerza electrodébil posee cuatro partículas portadoras: el fotón y los bosones W y Z, y nadie podía explicar por qué el primero no tiene masa y los otros tres son tremendamente pesados. Para resolverlo venía de perlas el campo de Higgs.

El reto de los 80 fue demostrar que esos bosones W y Z existían, al igual que encontrar experimentalmente el quark más pesado de la lista, el top. Los W y Z requerían de máquinas que produjeran una energía suficiente, y eso dependía de cuánto fuera su masa. A finales de los 70 las mejores estimaciones teóricas apuntaban a “centenas de veces la masa del protón”. Una valoración no muy exacta, pero suficiente para que el CERN decidiera gastarse 100 millones de dólares de la época en encontrarlo. Eran momentos de euforia: la teoría electrodébil apuntaba a que el Santo Grial de la física estaba al alcance de la mano; una teoría final, una ecuación única que dejaba como un triste aprendiz al anillo de poder de la novela de J. R. R. Tolkien, pues gobernaría las cuatro fuerzas y todas las partículas del universo. Desde los años 40 muchos lo habían intentado, ¡hasta el gran Einstein! Nadie, ni remotamente, se había acercado a conseguirlo.

En enero de 1983 el italiano Carlo Rubbia, responsable e ideólogo de la búsqueda, anunciaba haber encontrado los dos W. Seis meses después aparecía el Z. Solo faltaba el quark top, que cayó en mayo de 1995 gracias a los físicos del otro gran acelerador, el Tevatron del Fermilab en Chicago. El modelo estándar estaba completo… salvo por el bosón de Higgs.

En los últimos años, en el hogar de los dos aceleradores de partículas más grandes del mundo, Chicago y Ginebra, se han realizado experimentos para poder atisbar alguna traza de su existencia. Los físicos saben que es difícil pues la energía necesaria para verlo está muy por encima de las posibilidades de sus aparatos. Podemos decir que se han dedicado a chocar partículas (que es lo que hacen los aceleradores) para ver si suena la flauta por casualidad.

La situación es similar a la de 1980 con los W y Z. Para encontrar el Higgs, la madre de todas las masas, hay que construir un acelerador más grande. A finales de los 80 los americanos se pusieron manos a la obra y diseñaron el SSC, el Supercolisionador que se quería construir en Texas. Pero el proyecto fue cancelado. En 1987 los científicos dijeron al Congreso norteamericano que costaría 4.400 millones de dólares y en 1992 ya iban por 12.000 millones. Era demasiado dinero, teniendo en cuenta que la Estación Espacial Internacional (ISS) tenía un coste parecido. Para los congresistas norteamericanos el estado no podía invertir en ambos proyectos y el SSC fue cancelado. Irónicamente, su apoyo a la ISS fue otra metedura de pata pues la estación espacial ha demostrado ser la manera más efectiva de tirar miles de millones de dólares por el retrete.

En Europa el CERN decidió desmantelar su acelerador, el LEP, para construir otro capaz de alcanzar una energía suficiente para ver el Higgs, el LHC, donde ahora se dice haberse encontrado ciertos indicios de que está “por ahí”.

¿Y si no se da con él? Aunque los teóricos ya lo han pensado y proponen diferentes alternativas, nadie duda que el edificio de las partículas elementales que con tanto cuidado han ido construyendo los científicos durante el último medio siglo, se desplomaría. “El campo de Higgs, el modelo estándar, y nuestra imagen de cómo Dios hizo el universo depende de encontrar el bosón de Higgs”, comentó hace más de una década el premio Nobel de Física Leon Lederman, quien bautizó al Higgs con el sobrenombre de la partícula divina. Las dos pasiones de los físicos están enfrentadas. Encontrar el Higgs implicaría que han hecho un buen trabajo y que sus ideas sobre la materia son correctas: sería la demostración del poder de la teoría, del pensamiento puro, para entender el mundo. No encontrarlo les diría que han pasado algo por alto, que sus ideas iban bien pero se torcieron, que hay nuevos misterios que desentrañar. Y para un científico los buenos misterios son la salsa de su vida.

(Publicado en Muy Interesante)


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