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¿Por qué las partículas no pueden ocupar el mismo espacio al mismo tiempo?

Quantum-Gravity

por Julio García.

Existe un principio de exclusión en la mecánica cuántica que afirma que es imposible que dos electrones en un átomo puedan tener la misma energía, el mismo lugar, e idénticos números cuánticos. En otras palabras, es imposible que existen dos cosas en un mismo lugar. Gracias a este principio, los objetos existen tal y como son.

¿Pero quién fue la persona encargada de dar a conocer por primera vez este principio?

El físico encargado de hacerlo se llama Wolfgang Ernst Pauli, quien nació en Viena el 25 de abril de 1900. En 1918 se licenció en física y en 1921 logró su doctorado, también en física, a partir de un artículo sobre la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein.

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El físico Wolfgang Pauli.

Para comprender mejor el principio de exclusión debemos decir que en la realidad, al menos aquella que podemos observar, existen dos tipos de partículas: los fermiones y los bosones. Los primeros se caracterizan por tener espín semientero (1/2, 2/3… etc.). Cuando nos referimos a la palabra spín estamos hablando del giro que tienen todas las partículas (imaginemos a una bailarina que gira sobre su propio eje pero a diferentes velocidades). Los fermiones están divididos a su vez en quarks y leptones: los quarks son las partículas que forman el núcleo de los átomos y los leptones a los electrones que giran en del núcelo atómico.  Hay que decir que toda la materia con la que interactuamos (desde los elementos químicos más básicos, hasta las galaxias más grandes) están formadas por quarks y leptones

Por el contrario, los bosones tienen un espín entero (0,1,2…etc.) y no cumplen con  el principio de exclusión de Paoli (los bosones pueden estar en dos lugares a la vez al mismo tiempo, al contrario de lo que sucede con los fermiones, como ya hemos señalado).

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El físico Peter Higgs recibiendo el Premio Nobel de Física.

En este sentido, la ciencia está llena de teorías que muchas veces tienen que ser desechadas cuando se les contrasta con la realidad. Pero en el caso del bosón de Higgs esto no sucedió. Su existencia ha sido demostrada gracias al Acelerador de Partículas que se encuentra en el CERN de Ginebra, Suiza. El esperado anuncio se hizo el 4 de Julio de 2012 y para 8 de octubre de 2013 Peter Higgs, junto con François Englert, recibieron el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

En resumen, el campo de Higgs debe ser considero como un campo que llena todo el vacío. La presencia de masa es el resultado de la interacción de las partículas elementales con este campo vacío. En este sentido el campo de Higgs podría ser tan importante como la curvatura del espacio-tiempo que es la que al fin y al cabo produce la gravedad. Recordemos que Albert Einstein propuso en 1915 que entre más masivo es un cuerpo, mayor es la curvatura que produce en el espacio-tiempo el cual puede ser imaginado como una gran cama elástica que se deforma por la presencia de la masa que producen los cuerpos masivos tal es como las estrellas, los planetas y las galaxias.

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Otorgan el premio Nobel a los descubridores del bosón de Higgs

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Simulación del choque de partículas donde es producido el Bosón de Higgs /Crédito: space.com

Hoy ha sido anunciado el premio Nobel de Física y los ganadores son dos físicos quienes predijeron la existencia del elusivo bosón de Higgs: una partícula que explica por qué otras partículas tienen masa.

La predicción sobre la existencia del bosón se hizo hace casi 50 años por Peter Higgs de Inglaterra y Francois Englert de Bélgica.

La academia dijo que ambos científicos se lo merecían “por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a al entendimiento del origen de la masa de las partículas subatómicas, lo cual ha sido recientemente confirmado a través del detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones”.

En este sentido, dos equipos del CERN anunciaron a finales del año pasado que habían descubierto una nueva partícula que era el bosón de Higgs. La identidad de la partícula fue confirmada a principios de 2013.

El bosón de Higgs representa la última pieza por descubrir del reino de las partículas subatómicas llamado el Modelo Estándard. Y tanto Englert como Higgs, de forma independiente, publicaron investigaciones respecto al proceso de cómo las partículas adquieren masa. Proceso que lleva el nombre de Mecanismo Brout-Englert-Higgs el cual marca la culminación de décadas de esfuerzo intelectual de muchas personas alrededor del mundo.

Englert nació en 1932 en Etterbeek, Bélgica y obtuvo su doctorado en 1959 por la Universidad Libre de Bruselas, donde ahora es profesor emérito.

Por su parte, Peter Higgs nació en Inglaterra en 1929 y obtuvo su doctorado en 1954 por la Universidad de Londres. Actualmente es profesor emérito de la Universidad de Edimburgo.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Space.com

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¿Es el bosón de Higgs la fuente de la energía oscura? Un nuevo estudio dice que sí

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Uno de los grandes misterios de la física de partículas y de la cosmología actual es saber por qué la energía oscura, que domina toda la energía del universo, tiene un valor que es de casi cero. Este valor es tan pequeño que probablemente tenga 120 órdenes de magnitud menos de lo que se esperaría en física fundamental. Este problema, llamado problema de la constante cosmológica, ha traído de cabeza a los científicos durante mucho tiempo.

Pero ahora, dos físicos reconocidos en el mundo, Lawrence Kauss de la Universidad Estatal de Arizona y James Dent de la Universidad de Louisiana, han sugerido que el recientemente descubierto Bosón de Higgs podría explicar algunos de los atributos de la enigmática energía oscura y podría ayudar a resolver el problema de la constante cosmológica,

Krauss y Dent exploran la posibilidad de una conexión entre la partícula de Higgs y una nueva partícula que podría estar asociada con lo que comúnmente se conoce como la Teoría de la Gran Unificación que posee una escala de, quizá, 16 órdenes de magnitud menor al tamaño de un protón, y en la que convergerían las 3 grandes fuerzas de la naturaleza (electromagnetismo, la fuerza nuclear débil y la fuerte) pero exceptuando a la gravedad. La unificación de estas tres fuerzas resultaría en la existencia en un nuevo campo que se añadiría al actual campo Higgs y que contribuiría como densidad de energía para el espacio vacío o para corregir la actual densidad de energía,

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El físico estaoduninde Lawrence Krauss, uno de los autores del estudio. /Crédito: hyeroglyph.edu

En este sentido, las actuales observaciones del universo muestran que se expande a una velocidad acelerada. Pero esta aceleración no puede ser producto únicamente de la presencia de materia, ya que poner energía en el espacio vacío produce una fuerza de gravedad repulsiva que es opuesta a la fuerza producida por la materia, incluyendo a la materia oscura que domina la masa de todas las galaxias, pero que no puede interactuar con la luz y de la que solamente se puede conocer su existencia por la influencia de su gravedad.

Debido a ese fenómeno, y debido a lo que actualmente podemos saber del universo, se piensa que la llamada energía oscura contribuye con más del 70 por ciento de toda la densidad de energía que hay en el universo. La materia observable solamente contribuye con el 5% y el restante 25% proviene de la materia oscura.

“Nuestra investigación hace progresos en uno de los aspectos de este problema. Ahora que se ha descubierto el Bosón de Higgs, abrimos una nueva puerta para analizar la física a escalas de energía mucho más altas, donde podríamos encontrar nuevos campos escalares que operarían en estas nuevas dimensiones”, afirma Lawrence Krauss.

“Lo que hemos demostrado es que donde se mezcla lo más simple, que está relacionado con las proporciones en las que opera la física electrodébil, y posiblemente también la fuerza de Gran Unificación, se produce energía en el vacío que corregiría el orden de magnitud o la cantidad de energía oscura existente.

En otras palabras: la teoría de Krause y su colega pretende comprender el origen de la energía y el autor afirma que su constructo teórico es solamente un paso en la dirección para comprender este misterio. Resolverlo significaría unificar todas las cuatro teorías sobre el Universo, algo así como el Santo Grial de la física.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Daily Galaxy. 

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El Boson de Higgs podría provocar que el universo desaparezca

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Choque de protones que dieron como resultado el descubrimiento del Bosón de Higgs en 2012 /Crédito: http://www.huffingtonpost.uk

Una partícula subatómica descubierta el año pasado que podría ser el Bosón de Higgs, condenaría al universo a un final desafortunado.

La masa de la partícula, que ha sido descubierta por el Gran Acelerador de Partículas del CERN, es un ingrediente fundamental para calcular cómo será el futuro del espacio y el tiempo.

“Este cálculo nos dice que en muchas decenas de millones de años en el futuro, podría haber una catástrofe”, comentó Joseph Lykken, un físico teórico quien trabaja en el Acelerador Fermi (que es un acelerador de menores proporciones que el del CERN y que se encuentra en Estados Unidos).

“Es probable que el universo en el que vivimos sea inherentemente inestable, y en un punto específico, dentro de decenas de millones de años, es probable que desaparezca”, agregó Lykken, quien también colabora en las investigaciones que se llevan a cabo en el CERN.

Hay que decir que el bosón de Higgs es la manifestación de un campo de energía que impregna todo el universo llamado el Campo de Higgs y por medio del cual se explica por qué las partículas tienen masa. Después de una búsqueda que ha durado décadas para probar tanto la existencia del Bosón como de su Campo, los físicos del Gran Acelerador de Partículas anunciaron en Julio de 2012 que habían descubierto una nueva partícula cuyas propiedades sugerían que era el Bosón de Higgs.

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El físico británico Peter Higgs, quien teorizó sobre la existencia del Bosón / Crédito: http://www.wikipedia.org

Sin embargo, para confirmar al 100 % la existencia de dicho Bosón, los científicos requieren analizar todavía mucho más información, pese a que muchos de ellos ya dan por hecho la existencia de esta partícula.

Y si realmente se encuentra al Bosón de Higgs, el hecho no solamente confirmaría la teoría sobre cómo las partículas obtienen masa, sino que además permitiría a los científicos hacer nuevos cálculos que serían imposibles de realizar si no se conocieran en profundidad las propiedades de la partícula.

Por ejemplo, la masa de la nueva partícula es de alrededor de mil millones de electro-voltios, lo que equivaldría a 126 veces la masa del protón. Si realmente es el Higgs, su masa sería la necesaria para hacer a nuestro universo un lugar inestable, que causaría su final a través de una catástrofe que sucedería en el futuro.

Esto se debe a que el Campo de Higgs se encuentra en todas partes, por lo que afecta a la totalidad del espacio-tiempo vacío en el universo.

Sorprendentemente, si la masa del Bosón de Higgs fuera de tan solo un porcentaje diferente, el universo no estaría condenado. Y si el universo tendrá un final desafortunado, este porcentaje del que se conoce muy poco, nos daría una oportunidad para respirar y pensar que éste no va a morir.

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Traducido y editado por Julio García.

Referencia: Live Science.

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El Gran Colisionador de Partículas regresa con más energía que nunca

Fuente: CERN

El Gran Acelerador de Partículas está funcionando nuevamente después de la pausa que hizo durante el periodo invernal.

El pasado jueves 29 de marzo, rayos estables de protones colisionaron unos con otros en cuatro posiciones de observación.

La energía que produjo este choque en estos racimos de partículas subatómicas fue de unos 8 billones de electrovoltios: ¡todo un récord!.

Los científicos esperan que el gran aumento que el acelerador ha tenido en cuanto a sus capacidades incrementen de forma significativa las posibilidades de descubrir una “nueva física”.

La gran expectación se centra sobre todo en el hecho de confirmar o negar la existencia del bosón de Higgs, la partícula elusiva que podría ayudar a explicar por qué la materia tiene masa.

“La experiencia de dos muy buenos años a 3.5 TeV (tera electrón-voltio) por rayo nos da la confianza para incrementar la energía para este año sin ningún riesgo para la máquina”, explicó Steve Myers, quien es el director de aceleraciones y tecnología en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).

“Ahora les queda a los experimentos aplicar de la mejor manera el potencial que les estamos ofreciendo”, señaló.

Desde su primer encendido en 2008, los operadores del Gran Colisionador de Hadrones han incrementado de forma cautelosa la energía contenida en cada uno de los cientos de miles de protones que se han enviado a lo largo de los 27 kilómetros de circunferencia del colisionador, el cual se encuentra justamente debajo de la frontera entre Suiza y Francia.

Ahora se ha planeado que el colisionador recolectará datos hasta noviembre, para luego ser actualizado durante un “apagón” que durará 20 meses con la intención de incrementar su potencial para lograr alcanzar 14 trillones de electrovoltios o teraelectrovoltios que implica otro nuevo salto en cuanto a su capacidad para hacer chocar protones. Esta energía se piensa alcanzar en 2014.

Por otra parte, los equipos que trabajan en los dos detectores más importantes del Acelerador anunciaron a finales del año pasado que habían logrado ver algunas pistas del Bosón de Higgs, pero sin llegar a afirmarlo con toda certeza.

Lo que sí es un hecho es que, haciendo funcionar al Gran Colisionador a energías más altas, la probabilidad de encontrar al Bosón de Higgs en los restos de una colisión de protones aumentarán considerablemente.

“El incremento de energía se traduce en maximizar el potencial de descubrimiento del LHC”, dijo el director de investigación del CERN Sergio Bertolucci, quien luego recalcó: “Y en ese sentido, 2012 parece ser un año de cosechas para la física de partículas”.

TRADUCCIÓN Y EDICIÓN DE Julio García.

FUENTE: BBC