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Les voy a contar acerca del descubrimiento en sí,
pero tengo bastante que contarles antes de eso
y en muy poco tiempo.
Así que cubriremos toda la teoría cuántica de campos,
y la física de partículas en 18 minutos.
(Risas) No es tarea menor... les va a ir bien.
Al final les haremos un examen.
Este es nuestro experimento, el experimento CMS.
Titulé la conferencia:
"En busca del código genético de nuestro universo"
Lo que hacemos en física de partículas, de alguna modo, es muy similar a eso
y espero poder mostrarles el porqué.
Ahora bien, como dije, es la teoría cuántica de campos,
el campo de Higgs, los mecanismos de Higgs,
y puede volverse muy confuso en muy poco tiempo,
pero lo que voy a tratar de hacer, con imágenes y analogías simples
y espero que con algunas buenas conceptualizaciones,
darles una idea de lo que hacemos, por qué y cómo funciona,
por qué es interesante y, con suerte, podrían llevarse algo consigo.
Yo diría que el título es algo pretencioso también
pero eso depende un poco de la perspectiva de cada uno.
Le pregunté a una física amiga que estudia la teoría de cuerdas
si le interesaba lo que podemos aprender con el LHC.
Y me dijo, "No, la verdad que no".
Le pregunté, "¿Por qué no?" y me dijo, "Porque solo concierne
a nuestro universo, sabes".
Así que, de alguna manera, es una charla muy modesta,
solo voy a hablar de nuestro universo.
Les voy a hacer una introducción.
Tenemos el Modelo Estándar de física de partículas
que llevó unos 100 años elaborar,
se tuvo que desarrollar mucho la física teórica,
y se tuvieron que descubrir muchas partículas subatómicas.
Y es algo muy similar a una nueva tabla periódica
con las partículas más elementales.
Se ve así.
Un ganador muy famoso del premio Nobel
mostró esta diapositiva y dijo,
"Luego de décadas de investigación y millones de dólares,
esto es todo lo que sabemos”.
Pero, es bueno, es lo que queremos,
encontrar una explicación de fondo y muy simple del universo.
Y descubrimos que hay tres tipos de generaciones
de esta clase de partículas, los quarks y los leptones
que son fermiones, y tienen un espín semientero,
pero no se preocupen por eso.
Y estas partículas forman la estructura,
componen los átomos, y demás.
Luego tenemos partículas portadoras de fuerzas
que “unen” a otras partículas, es muy simple,
y también hay una pieza clave, que no habíamos encontrado.
Permítanme mostrarles esto de nuevo.
Este es uno de los grandes logros científicos del siglo XX.
Aquí vemos las mismas partículas,
pueden ver sus masas en una escala logarítmica,
y hay una diferencia importante entre la más ligera y la más pesada,
quizás un factor de un millón.
En realidad, solo vemos estas partículas,
que forman los protones, y los átomos, por ejemplo.
Pero, aunque no podamos verlas, todas las otras tienen
una importancia crucial para conocer la estructura del universo
y cómo funciona todo, y por eso hacemos lo que hacemos.
Hay una pieza que falta, y es la partícula de Higgs,
o por lo menos, faltaba.
Aquí se ven las masas de los quarks, que van de muy pequeñas a muy grandes,
y no sabemos por qué.
Eso es algo que nos gustaría entender.
Entonces, ¿qué es el bosón de Higgs?
Mientras desarrollábamos
la teoría moderna de las fuerzas fundamentales
en estas direcciones, dimos con un problema.
Las partículas portadoras de fuerza
no deben tener masa, como indicaban las ecuaciones,
pero los datos indicaban otra cosa.
Y en realidad no entendíamos por qué tenían que tener masa
o qué era la masa en ese caso.
Ahora bien, las partículas sin masa se mueven a la velocidad de la luz.
Así que los teóricos tuvieron una idea ingeniosa:
imaginen que hay un campo de fuerza que abarca todo el universo
y hace que la velocidad de las partículas sea menor a la de la luz.
Esto les daría una masa.
Como decía mi predecessor, tenemos algo como esto.
Un campo que ocupa todo el universo,
con partículas que lo atraviesan, y quedan "atrapadas".
Algunas más que otras.
Y así adquieren masa, básicamente se lentifican.
Eso es el campo de Higgs.
Entonces, ¿cuál es la diferencia entre un campo y una partícula?
Acá es donde se pone un poco ilógico
y es difícil de entender sin estudiar la teoría cuántica de campos.
Los campos tienen partículas que se asocian con ellos;
los llamamos campos cuánticos, por mecánica cuántica,
y llevan la fuerza de ese campo.
Las partículas interactúan al intercambiar estos portadores de fuerzas.
Aquí les muestro un caso muy simple,
donde hay electrones
que básicamente se repelen intercambiando un fotón.
Así funcionan las fuerzas.
Hay otras maneras, procesos, que son mucho más complejas
y que se vuelven muy ilógicas, pero esta es una buena forma de ver las cosas.
Mencioné la teoría cuántica de campos.
La base es que energía y masa son equivalentes.
Y pueden pasar cosas raras, también en la teoría cuántica.
Podemos encontrar partículas y antipartículas
que surgen del espacio vacío.
Algo como esto.
Aquí hay dos quarks cima, que luego vuelven a desaparecer.
Esto se llama fluctuación cuántica, y estas son partículas virtuales.
Suena fantasioso, pero es muy importante
para lo que necesitamos entender.
Y tiene consecuencias de gran alcance.
Debido a que estas partículas virtuales están en todos lados,
la estructura del universo
termina dependiendo de partículas que no existen en el sentido convencional.
Algunas de las cuales existieron al comienzo,
cuando el universo estaba más caliente y era mucho más joven.
Por eso hacemos lo que hacemos, tratamos de encontrar estas partículas
para entender cómo afectan a nuestro universo.
Aquí vemos un evento, la visualización de un evento,
de algunos de los primeros quarks cima que se observaron
en los 90 en Fermilab.
¿Qué nos hace estar tan seguros de que la partícula de Higgs existe?
La teoría tiene consecuencias muy previsibles.
Por ejemplo, predice que hay partículas muy masivas portadoras
de la fuerza nuclear débil,
las partículas W y Z.
La W debe tener una masa de unos 80 GeV.
Más adelante volveré a esta unidad.
La Z debería tener una masa de 91 GeV
y el protón, una masa de 0.9 GeV.
Por lo tanto, estas partículas son mucho más pesadas que el protón,
a pesar de ser mucho más pequeñas.
Cuando se crean, son muy inestables
Y decaen casi inmediatamente.
Podemos ver los rastros de sus productos de decaimiento
y los depósitos de energía de esos productos en los detectores,
y podemos usarlos para reconstruir la masa de la partícula original
o muchas de sus propiedades.
Aquí se ve, por ejemplo, lo que predecimos que veríamos
si buscamos partículas Z que decaen en muones.
Se cuenta el número de eventos a diferentes valores de masa,
y se espera encontrar un pico.
Así es como se ve una resonancia de partículas,
un pico de 91.1 GeV.
Y además, hay datos de otros eventos.
Ahora déjenme mostrarles lo que en realidad vemos.
Los puntos negros muestran nuestras mediciones.
Las partículas Z y W son tal como las predijimos
lo que nos hizo considerar seriamente la idea del Higgs.
Hay conexiones fundamentales entre las partículas
y acá es donde se pone más interesante.
Las partículas fundamentales interactúan todo el tiempo
a través de estas interacciones de tipo virtual que ya mencioné.
Por ejemplo, la masa de la partícula W depende en gran medida
de la masa del quark cima y un poco de la masa del Higgs.
Y es a través de este tipo de proceso
que una W puede decaer en un quark cima y un quark fondo,
que luego pueden volver a fusionarse en una W.
Una W puede emitir un Higgs, reabsorberlo y volver a ser una W.
Estas cosas suceden constantemente.
Básicamente, la identidad de las partículas elementales
es inseparable de aquello en lo que pueden transformarse.
Así funciona el universo en su nivel más elemental.
¿Cómo es posible? Esta es una buena manera de verlo.
El vacío del espacio-tiempo es muy interesante.
Imaginemos que hay una tela invisible
que cubre a todas las partículas que podrían llegar a existir
y codifica sus interacciones.
Eso es el espacio-tiempo.
Y no puede suceder cualquier cosa, solo este tipo de cosas.
Las partículas virtuales siempre esperan
la oportunidad de interactuar con las reales.
Y si se provee de suficiente energía en un área pequeña,
las partículas pueden atravesar la tela y pasar a nuestra realidad.
En cierta medida eso es exactamente lo que hacemos.
Y con energía lo suficientemente elevada, podemos sacar
partículas muy pesadas que nunca hemos visto.
Esas son las claves para entender el código de nuestro universo.
¿Cómo se obtiene tanta energía en un área pequeña?
Con lo que llamamos el Gran Colisionador de Hadrones o LHC.
Permítanme mostrarles una buena imagen.
Tenemos imanes que centran y hacen circular a los haces.
Con cada vuelta, los aceleramos un poco más con un campo eléctrico.
Y cuando tienen la suficiente energía, los cambiamos a un anillo más grande,
hacemos que las partículas se aceleren a energías más altas
y finalmente pasan al amarillo, que es el LHC.
Y esto les muestra su magnitud, 100 metros bajo tierra.
Me llevó bastante tiempo dibujar los anillos.
Esta es otra imagen,
y pueden darse una idea de cuán grande es, ya que se ve
el aeropuerto de Ginebra, la máquina es enorme.
Y es así porque las partículas se aceleran
a tan alta energía que los imanes están limitados
en lo bien que pueden mantenerlas dentro de su trayectoria.
Así que construimos una maquina enorme, y tenemos cuatro experimentos.
Les comentaré acerca de dos de ellos: los míos en CMS,
mejor dicho del que soy parte --no es mío-- y ATLAS.
Pero hay otros, LHCb y ALICE
que son para cosas muy específicas, y no voy a entrar en eso.
Es como el chocolate suizo; piénsenlo por un segundo.
Los imanes del LHC que mantienen a las partículas en su curso
poseen una gran cantidad de energía.
Suficiente como para derretir 12 toneladas de cobre,
esa es la cantidad de energía que hay en los imanes.
Es la energía cinética de un A380 a 700 km/h.
¿Cuánta energía hay en los haces?
La equivalente a 90 kg de TNT o 15 kg de chocolate.
Seguro que no sabían que el chocolate tiene más calorías que el TNT.
Les contaré de los experimentos.
Son muy grandes porque
hacemos chocar protones a muy alta energía.
Todo puede salir con una gran energía, y queremos medir lo que sale.
Tenemos que construir experimentos enormes
para curvar el curso de las partículas en los campos magnéticos
y poder medir sus momentos.
Este es ATLAS y les mostraré cómo era cuando lo estaban construyendo.
Está a 30 pisos bajo tierra
y ahí se ve una persona parada en el medio.
Muchas cosas se aclaran aquí
y les mostraré un poco más con CMS.
ATLAS es como CMS en cuanto a la participación 40 países,
cientos de instituciones y miles de físicos.
CMS, el experimento que dirijo,
fue construido en la superficie, y luego tuvimos que bajarlo.
Y esta pieza de aquí, la pieza central del experimento,
pesa 2 millones de kilos,
se tuvo que bajar 30 pisos, y si miran esto,
solo había un espacio de 7.5 cm, por lo que fue bastante difícil.
Y aquí se ve la magnitud, si volvemos a esta imagen,
se ven los imanes, es difícil describir cuán grande es este imán solenoidal.
Si van, verán que es muy grande, el imán más grande que se haya construido.
También reciclamos cosas para construirlo,
viejas cascos de balas de la armada rusa,
se convirtieron en parte del experimento.
Aquí se ve la colocación del sistema central de rastreo.
Y esta es la imagen que mostré al principio,
cuando el detector estaba listo para cerrarse
y esta es la línea del haz,
y por ahí van los protones, y luego colisionan
en el centro del detector que está hacia la izquierda.
Hay mucha gente involucrada,
esta es la octava parte de la gente que participa en CMS.
Como mencionó el presentador anterior,
participaron en total unas 4000 personas
Entonces, ¿cómo reconstruimos lo que pasa en una colisión?
Este es el detector visto desde un extremo,
y verán que tiene muchos cilindros.
Si reemplazo la imagen por un dibujo, verán esto.
Todos los cilindros son diferentes tipos de detectores
que captan las distintas propiedades de las partículas mientras pasan.
Y cuando recopilamos la información de todas las capas,
podemos identificar si son piones, muones, kaones, etc.
Así es como hacemos la reconstrucción.
Ahora hacemos chocar estos dos haces de protones,
cada haz tiene 1380 paquetes, con 160 000 millones de protones.
Son muchas cifras, y colisionan en cuatro lugares diferentes,
y cada vez que se cruzan,
a pesar de haber 160 000 millones en cada paquete,
solo colisionan unos 20 o 30 pares de protones.
Y lo que normalmente sucede es que se desintegran.
El protón se desintegra, los quarks salen disparados
y se producen partículas nuevas, pero no es muy interesante.
Algunas veces, sin embargo, se pone muy interesante.
Este es un evento muy simple, el primero de la era 2012,
Es un evento real, lo que ven ahora es una simulación,
pero verán cómo se ve un evento real cuando dos paquetes se cruzan.
Hay 30 pares de protones volando,
y esas son las trazas de partículas que salen
y el azul representa los depósitos de energía
en la parte del experimento que mide la energía
Ya está, vamos.
No veo que pase a la siguiente.
Bien. Si dos quarks chocan muy fuerte,
puede haber tanta energía que se puede producir algo interesante.
Este diagrama muestra dos quarks interactuando,
que forman un gluón muy energético y luego decaen en quarks cima.
Ahora bien, nunca vieron este tipo de diagrama,
pero si les mostrara las masas que hay,
verían que es como tirar dos pelotas de ping-pong, una contra otra,
y obtener como resultado dos bolas de boliche,
ya que los quarks cima son mucho más masivos.
Esta es una colisión plomo-plomo, es muy divertido.
Hacemos chocar dos átomos de plomo,
y tenemos 400 protones y neutrones que colisionan.
Y se ve así.
Solemos hablar de los detectores como si fueran cámaras.
Tienen unos 80 millones de píxeles, pero no son cámaras comunes.
Toman hasta 40 millones de fotos por segundo, algo bastante difícil,
las fotos son tridimensionales y tienen una precisión altísima,
una precisión de un micrómetro.
Y los detectores, que pesan 6.8 y 14 millones de kilos,
no son muy portátiles.
Uno de los desafíos que tenemos es que las colisiones son muy frecuentes.
Unas 16 millones por segundo,
y lo que estamos buscando es en verdad raro.
Y los eventos de Higgs que buscamos suceden una en un billón de veces.
Así que lo hacemos funcionar continuamente, 24 horas al día,
se tienen que recopilar muchas colisiones.
Conservamos unas 1000 de las 16 millones por segundo,
y aun así es muchísima información.
Y al final tenemos unos 22 petabytes de información por año,
creo que un petabyte es un millión de gigabytes, ¿no?
Hay muchísima información que se distribuye en todo el mundo,
para poder procesarla, porque es demasiada
para un solo lugar. Por eso se transfiere a 34 países,
a unas 100 000 computadoras.
Bien, les voy a mostrar las búsquedas del Higgs
Este es un evento de HIggs --eso creemos--
o un posible candidato, y lo que ven
son muchas trazas de baja energía. Esos son restos de la colisión de protones.
No es tan interesante pero, ¿ven las dos barras rojas?
Son dos fotones que salen disparados
y tienen muchísima energía.
Este evento no es común, y esto es lo que buscamos.
La particular de Higgs podría decaer en dos fotones y se verían así.
Pero hay muchas otras maneras de producir dos fotones
y al final tenemos un fondo de eventos
muy parejo, como este.
Pero, la aparición de un exceso a un valor de masa determinado
nos indica que puede haber una nueva partícula.
Y en realidad, este pequeño pico solo representa unos cientos de eventos,
ese exceso se corresponde con unos cientos de eventos a 125 GeV.
¿Y cuántas colisiones llevó encontrarlo?
10 elevado a la 15ª potencia.
Llevó mucho tiempo de funcionamiento
y una selección minuciosa de la información para encontrarlo.
Pero este pequeño pico, en realidad, representa un hallazgo importante.
En ATLAS vemos otro tipo de evento que también buscamos,
el Higgs también puede decaer en dos partículas Z
que luego decaen en electrones y también en muones,
y es un evento con cuatro electrones.
Reconstruimos las Z y luego, lo que se obtuvo de las dos Z,
y se obtienen muchas de las cosas que uno esperaría.
Esta visualización es difícil de leer, y tiene muchos datos predecibles,
pero hay un punto donde los datos superan nuestras expectativas,
unos 150, 125, y si miran el de CMS
en la escala ampliada, también verán el exceso a 125
Son estas señales, en realidad,
las que nos indican que hay algo nuevo
y que estamos empezando a verlo surgir.
Es muy muy nuevo. Indica un descubrimiento mayor.
Los dos experimentos muestran excesos a una masa de 125
de diferentes maneras. Hay algunas que no les mostré.
Y luego de estudios complicados y controles minuciosos
que nos llevaron meses y cientos de participantes,
todo se sostiene, sabemos que es algo nuevo
Todo concuerda con lo que se espera del Higgs
y su importancia es la adecuada como para anunciar un descubrimiento.
Pero este es solo el comienzo.
Esta es la tapa de la publicación
con los dos resultados que se obtuvieron en julio.
Pasaron 48 años --hay dos diapositivas más--
desde la predicción del bosón de Higgs del Modelo Estándar
Llevó 20 años diseñar
y construir estos aceleradores y experimentos tan complejos,
los más complejos en la historia de la física.
Llevó tres años recopilar la información
y un esfuerzo inmenso de una generación de miles de físicos,
ingenieros y técnicos para hacer esto posible.
Entonces, ¿qué sigue?
Tendemos que averiguar qué es.
Estamos casi seguros de que es el Higgs, o mejor dicho un Higgs,
pero hay que estudiar sus propiedades, ya que hay posibilidades
de que no sea el simple Higgs del Modelo Estándar,
en cuyo caso tendríamos algo revolucionario,
que nos ayudaría a entender muchas cosas.
Y eso nos llevaría a nuevas fronteras.
Así que, estén atentos.
(Aplausos)