El Bosón de Higgs

Intentaremos explicar de una forma sencilla lo que es el Bosón de Higgs. Mas o menos todos hemos oído hablar de él, sin mas su existencia se demostró hace bien poco en los experimentos realizados en el CERN en 2012, aunque su existencia se postuló mucho antes por Peter Higgs (en 1964), como algo necesario para explicar que las partículas tienen masa.

Pero antes de todo tenemos que hacer hincapié claramente en la diferencia entre masa y peso. No confundamos estos términos.

  • Masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo o partícula.
  • Peso es la fuerza causada sobre ese cuerpo por el campo gravitatorio o gravedad.

Así un hombre que en la tierra “pesa” 60 kg, en la tierra, en la luna pesará 10 kg. Por que?, por que la fuerza gravitatoria con la que atrae la luna a una masa es 1/6 menor que en la tierra. El mismo hombre, con la misma masa, “pesará” de una forma diferente dependiendo de la fuerza gravitatoria con la que sea atraído.

Bien, entendido esto pasemos ahora al campo de las PARTICULAS.

Si repasamos en la sección de astronomía que es el Big Bang y como empezó todo, recordaremos que al principio justo después del Big Bang había una “sopa cósmica” compuesta por partículas (quarks, gluones, electrones, fotones, muones….) y radiación.

De estas partículas sabemos que las hay con mucha masa (como algunos quarks) y con muy poca masa o directamente sin masa como los fotones.

Pero que es lo que le “da” o le confiere masa a las partículas?

EL BOSÓN DE HIGGS

Vamos a explicarlo:

Imaginemos una piscina llena de agua en la que metemos la mano. Al moverla, vemos que si abrimos los dedos, a la mano la cuesta menos moverse que si cerramos los dedos. Si metemos un rastrillo de jardín, este se moverá mas deprisa y con menos resistencia que si metemos una pala.

Ahora traslademos nuestro ejemplo a nivel de partículas. Nuestra piscina es un campo de Higgs. Las partículas con mas masa se moverán mas despacio por el campo de Higgs y las partículas con menos masa se moverán mas rápido por el campo de Higgs.

Campo de Higgs: Todo el espacio está relleno de un campo que no podemos ver (recordemos campo electromagnético, campos de fuerzas…), el campo de Higgs.

Campo es una región del espacio (en este caso todo el espacio) asociado a una magnitud física. En vuestro caso la masa.

De que se compone este campo de Higgs? De los Bosones de Higgs o partículas de fuerza, esparcidos uniformemente por todo el campo.

Que es lo que ocurre? Pues que si una partícula grande (mucha masa) se mueve por el campo de Higgs, lo hará de una forma mas lenta, con mas rozamiento, interactuará con los Bosones de Higgs. Y una partícula pequeña, con muy poca masa, se moverá muy rápido a través del campo de Higgs, los Bosones de Higgs interactuarán muy poco con esta partícula. Recordad la mano en el agua.

La masa de las partículas estaría causada por una especie de “fricción” con el campo de Higgs, por lo que las partículas más ligeras se moverían por este campo fácilmente mientras que las más pesadas lo harán con mayor dificultad.

interaccion-con-campo-de-higgs

En este gráfico de arriba, vemos que partículas muy pequeñas como los fotones, se mueven libremente por el campo de Higgs, no interactúan, no les friccionan los Bosones de Higgs. Se mueven muy deprisa (Fotones a la velocidad de la luz).Partículas mas grandes como los electrones si que interactúan con los Bosones de Higgs en el campo, se mueven mas despacio y por eso decimos que este campo, estos Bosones de Higgs les confieren una “masa” mayor. Y partículas mas grandes como los quarks, interactúan mucho con el campo de Higgs, con los Bosones de Higgs. Estos les friccionan mucho y por tanto tienen mayor dificultad para moverse, les confiere una masa mucho mayor.

campo-de-higgs

Es el Bosón de Higgs el que le confiere y define la “masa” a las partículas al interactuar con ellas. Cuanto mas interactue una partícula con el campo de Higgs, mayor será su masa y por tanto menor su velocidad y energía.

Con esto quedaría explicado lo que es el campo de Higgs y los Bosones de Higgs. Pero para otro artículo merece la pena hacer una pequeña introducción aquí…..LA VELOCIDAD DE LA LUZ.

Por que creemos y hasta ahora no conocemos que la mayor velocidad posible es la de la luz? Pues si os fijáis en el primer gráfico veréis que los fotones se mueven LIBREMENTE por el campo de Higgs, van a su mayor velocidad al no interactuar con nada. De ahí que hasta el momento creamos (con los conocimientos de física que tenemos actualmente) que la mayor velocidad posible es la de la luz!!!!! Además, la teoría de la relatividad de Einstein así lo corrobora.

Los fotones se mueven a través del campo de Higgs pero no interaccionan con él. Por tanto, los fotones son partículas sin masa y, en el vacío, pueden moverse libremente a la máxima velocidad posible, que según las ecuaciones de Einstein y los estudios empíricos, es igual a la constante que conocemos como velocidad de la luz.

Pero esto lo desarrollaremos en otro artículo.

Nota: Hay estudios sobre velocidades super lumínicas y partículas que viajan a velocidades superiores a la de la luz (taquiones), pero esto es física de partículas compleja, muy difícil de explicar sencillamente.

Otra cosa importante que decir es que el Bosson de Higgs es el responsable aproximadamente del 1% de la masa total del universo. Pero el 99% restante????

El otro 99% se lo debemos a la energía que tienen los tres quarks que componen los protones y neutrones como consecuencia de la interacción entre ellos. Es decir, a la interacción fuerte. Esta fuerza que es la más intensa pero la de más corto alcance de todas, tiene la particularidad de que cuanto más se alejan entre sí las partículas que interaccionan fuertemente, más intensa es. Al contrario que la gravedad, por ejemplo, que cuanto más te alejas menos intensa es.

Las partículas que transmiten la interacción fuerte se representan como “muelles” y se llaman GLUONES.

Los quarks del protón intentan alejarse pero no pueden. Están sujetos por estos muelles o Gluones. En este proceso se manifiesta una ENORME cantidad de energía, y como recordaremos de la ecuación mas famosa de Einstein  E=mc2    obtenemos la masa que estábamos buscando.

Esto último es algo bastante complejo, no objeto de este sencillo blog, pero si alguno quiere saber mas acerca de esto, no dudeis en escribirme y preguntar.

Recordad: El Higgs es el responsable de dar masa a las partículas en el universo, ….pero no toda la masa.

Tamaños y distancias en el universo

Todos sabemos la inmensidad que tiene el universo, pero cuando nos hablan de distancias en años luz, parsecs o kilo parsecs, etc… nos perdemos. Nuestra mente no es capaz de asimilar tales magnitudes, tantos ceros en una cifra de kilómetros por ejemplo. Pero para empezar tener en cuenta que la tierra recorre en tan solo 6 meses 300 millones de kilómetros!!!.

Lo explicaremos a través de una escala cotidiana en la que haremos las siguientes equiparaciones:

  1. LUNA Y TIERRA. La distancia de la tierra a la luna es de 384.400 kilómetros. Imaginemos primero que la luna es una pelota de tenis y que la tierra es una pelota de baloncesto. Para hacernos una idea de la distancia, es como si ambas pelotas estuvieran separadas 7 metros.
  2. SOL Y TIERRA.  La tierra está del sol a 150 millones de kilómetros. Es como si el sol fuera una naranja y la tierra un grano de sal. Estarían separados 10 metros.
  3. SOL Y JUPITER. Mismo ejemplo anterior pero separados 52 metros.
  4. EL SOL Y LA ESTRELLA MAS CERCANA (α CENTAURI). Están separados 41,3 billones de kilómetros. Para hacer la comparación imaginemos que las dos estrellas son dos granos de sal. Tendrían que estar a 27 kilómetros uno de otro.
  5. Como es de grande nuestra galaxia la vía láctea? Pues imaginemos que nuestro sol es esta letra a este mismo tamaño: O. La vía láctea sería entonces tan grande como ÁFRICA entera!!!!. Una pasada eh!!!

Con esto podemos hacernos una idea de la inmensidad del universo. Ahora bien, hemos explicado a nivel local, solo dentro de nuestra galaxia. Pero cuanta distancia hay entre nuestra galaxia y la galaxia vecina Andrómeda? Pues están separadas por 2.5 millones de años luz.

1 Año luz es la distancia que recorre la luz en una año. La luz va a una velocidad de 300.000 km/seg. Con eso nos hacemos una idea?

En este esquema podéis ver los tamaños relativos y donde nos encontramos en ellos.

universo-local

Vemos que nuestro sistema solar se encuentra junto a una vecindad estelar, dentro del brazo de Orión de la Vía Láctea, la cual se encuentra en una vecindad galáctica junto con las nubes de magallanes. Toda esta vecindad se encuentra dentro del grupo local de galaxias (unas 30) junto con la galaxia de andrómeda. Y por último este grupo local se encuentra en un super cúmulo de galaxias, el super cúmulo o cluster de Virgo.

Acordaros del ejemplo del sol, que es una O y la vía láctea África!!!.

La siguiente secuencia de imágenes nos muestra como estaría escalado y situado desde nuestro sistema solar hasta el universo observable. (Autora Nayra Rodríguez, IAC)

En rojo, nuestra posición respecto a la imágen anterior.

1.- SISTEMA SOLAR

1

2.- NUESTRAS ESTRELLAS VECINAS

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3.- LA VÍA LÁCTEA Y DONDE NOS ENCONTRAMOS EN ELLA

3

4.- EL GRUPO LOCAL DE GALAXIAS AL QUE PERTENECEMOS

4

5.- EL SUPER CÚMULO DE VIRGO, AL QUE PERTENECE NUESTRO GRUPO LOCAL

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7.- EL SUPER CÚMULO LOCAL AL QUE PERTENECE NUESTRO SUPER CÚMULO DE VIRGO

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8.- POR ÚLTIMO, EL UNIVERSO OBSERVABLE, DONDE UN MINUSCULO PUNTO ES NUESTRO SUPER CÚMULO LOCAL.

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Sin color en observación-Con color en astrofotografía

Por que cuando miramos por el telescopio vemos los objetos en blanco y negro, pero cuando vemos las astrofotos son en unos colores preciosos?

Lo primero que diremos es que esto ocurre así en telescopios de aficionados y aficionados avanzados. En Telescopios de grandes observatorios es distinto.

Observar estas dos imágenes de la nebulosa de orión

bn-color

Esto ocurre por que son objetos muy lejanos. Al observar nos llega muy poca luz de ellos y nuestro ojo capta momentáneamente lo que le llega. Lo procesa y lo desecha. No llega suficiente luz como para que podamos apreciar los colores. Es decir, separar la luz blanca (que es la suma de todos los colores) y ver los diferentes colores del objeto.

Que ocurre cuando en vez de observar fotografiamos?. Pues que al sensor de nuestra cámara le está llegando continuamente luz. Todos los fotones que le llegan los graba en el sensor, los recoge, y así va componiendo los colores reales del objeto.

Es decir, al ser objetos tan distantes nos llegan con muy poca luz. Necesitamos tener un instrumento que vaya captando esa luz durante un largo periodo de tiempo para poder así recabar toda la información (colores, detalles, estructuras…) del objeto.