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INTRODUCCIN

En la presente investigacin hablar un poco de este instrumento cientfico llamado acelerador de partculas que ha sido de gran importancia para la fsica moderna como lo es el microscopio para el estudio bacteriolgico, su anlisis, ha sido de gran importancia de una u otra manera, en nuestros das una nueva etapa se marco con el descubrimiento de el mismo que tiene sus inicios alrededor de 1930.

Por otra parte tocare un poco el tema de la demostracin de la existencia de la estructura llamada "Partcula de Dios Bosn de Higgs, que ha sido una teora moderna que se ha estudiado por los cientficos de nuestros das y que es bsicamente el estudio de cmo el universo se organiza.

Cabe mencionar la importancia de la creacin y el estudio de la materia oscura llamada comnmente por los cientficos agujeros negros o (Black hole), que tambin mencionar en el presente trabajo.

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ACELERADORES DE PARTCULAS

Los aceleradores de partculas son instrumentos que utilizan campos electromagnticos para acelerar

las partculas cargadas elctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energas) muy altas,

pudiendo ser cercanas a la de la luz. Adems estos instrumentos son capaces de contener estas

partculas. Un acelerador puede ser un tubo de rayos catdicos ordinario, formando parte de las

televisiones domsticas comunes o

los monitores de los ordenadores,

hasta grandes instrumentos que

permiten explorar el mundo de lo

infinitamente pequeo, en bsqueda

de los elementos fundamentales de

la materia.

HISTRICOS DEL ACELERADOR DE

PARTCULAS

Continuando con un poco de historia,

el acelerador de partculas encuentra

sus inicios a fines del siglo 18, cuando

el fsico francs Henri Becquerel descubre el fenmeno de la radiactividad el cual sera la base para los

estudios posteriores del acelerador de partculas.

En el ao de 1911, Ernest Rutherford y su equipo

utilizaron una fuente de partculas con radiacin de

tipo alfa como proyectiles para comprobar la

estructura de la material propuesta por Thompson.

El resultado sorprendente que se encontr fue que

una partcula alfa de cada diez mil era rebotada a

ngulos grandes. En un libro de fsica, Feynman

menciona una analoga para recalcar lo sorpresivo de

estos resultados y dice: "puede compararse a la

sorpresa que tendra una persona que disparara

balas con un rifle a una almohada llena de plumas y encontrara que algunas de las rebotaran hacia l".

La conclusin a la que llegara el que est disparando, es que dentro de la almohada adems de plumas

esta contiene objetos muy masivos tales como balas de can. La nica forma de explicar los

resultados de los experimentos de Rutherford fue la de suponer que la mayor parte de la masa de los

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tomos de oro, estaba concentrada en un pequeo volumen, al cual se le llam el ncleo atmico y fue

as lo que dio origen al modelo nuclear de los tomos.

El estudio del ncleo atmico tanto en el mbito terico como experimental dio origen a una nueva

rama de la ciencia llamada la fsica nuclear y el estudio experimental de estos sistemas se hizo

inicialmente estudiando las colisiones de los ncleos con proyectiles producidos por fuentes

radiactivas. Las limitaciones que tuvieron los primeros fsicos nucleares, eran que disponan de pocas

fuentes radiactivas y tambin estas eran poco intensas, por lo que los experimentos eran muy largos y

tediosos. Otra limitacin fue que los experimentadores no podan seleccionar el tipo de proyectil y su

energa tampoco la podan variar adecuadamente.

La necesidad de disponer de instrumentos para generar proyectiles con los cuales el experimentador

pudiera controlar el tipo de partcula (protones, deuterones, alfas, etc.) as como su energa y flujo de

estos (corriente elctrica) fue lo que origin el invento de esos instrumentos a los cuales se les llam

aceleradores de partculas.

ACELERADOR DE PARTCULAS: CONSTITUCIN, TIPOS Y PRINCIPIOS FSICOS

Qu es un acelerador de partculas?

Los aceleradores de partculas son

instrumentos que utilizan campos

electromagnticos para acelerar las

partculas cargadas elctricamente de

forma que stas colisionen entre s hasta

alcanzar velocidades cercanas a la de la luz

y energas muy elevadas.

Existen dos tipos bsicos de aceleradores:

los lineales y los circulares. Un acelerador

puede ser desde un tubo de rayos

catdicos como los que se encuentran en el interior de un monitor de ordenador o un televisor, hasta

grandes instrumentos que ocupan reas kilomtricas.4

Aceleradores Lineales

Los aceleradores lineales de altas energas utilizan un

conjunto de placas o tubos situados en lnea a los que se les

aplica un campo elctrico alterno. Cuando las partculas se

aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una

polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a

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travs de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la

placa repele la partcula, acelerndola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera

una sola partcula, sino un continuo de haces de partculas, de forma que se aplica a cada placa un

potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso

para cada haz.

Aceleradores Circulares

Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja aadida a los aceleradores lineales al usar campos

magnticos en combinacin con los elctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios

ms reducidos. Adems las partculas pueden permanecer confinadas en determinadas

configuraciones tericamente de forma indefinida.

Sin embargo poseen un lmite a la energa que puede alcanzarse debido a la radiacin sincrotrn que

emiten las partculas cargadas al ser aceleradas.

La emisin de esta radiacin supone una prdida de

energa, que es mayor cuanto ms grande es la aceleracin

impartida a la partcula. Al obligar a la partcula a describir

una trayectoria circular realmente lo que se hace es

acelerar la partcula, ya que la velocidad cambia su sentido,

y de este modo es inevitable que pierda energa hasta

igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad mxima.

Para un mismo campo elctrico de aceleracin, el acelerador circular permite alcanzar mayores

energas, pues la particular pasa repetidas veces por el campo.

Por otro lado, es ms sencillo conducir la partcula en la direccin adecuada en un acelerador lineal

debido a que no se necesita curvar su trayectoria y solo pasa una vez por cada punto, entre otros

motivos.

Existen dos tipos principales de aceleradores de partculas de los cuales se derivan algunos otros,

analizaremos estos dos tipos de aceleradores, los cuales analizaremos brevemente a continuacin:

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Ciclotrn

El primer ciclotrn fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de

California. En ellos las partculas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de D.

Cada par forma un dipolo magntico y adems se les carga de forma que exista una diferencia de

potencial alterna entre cada par de imanes. Esta

combinacin provoca la aceleracin.

Estos

aceleradores

tienen un lmite

de velocidad

bajo en

comparacin con

los sincrotrones

debido a los

efectos explicados anteriormente. Aun as las velocidades que se

alcanzan son muy altas, llamadas relativistas por ser cercanas a la

velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades de

energa (electronvoltios y sus submltiplos habitualmente) en

lugar de unidades de velocidad. Por ejemplo, para protones, el

lmite se encuentra en unos 10 MeV. Por este motivo los

ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energas.

Existen algunas mejoras tcnicas como el sincrociclotrn o el ciclotrn sncrono, pero el problema no

desaparece.

Sincrotrn

Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron construido en el

Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenz a operar en 1952, alcanzando una

energa de 3 GeV.

El sincrotrn presenta algunas ventajas con

respecto a los aceleradores lineales y los

ciclotrones. Principalmente que son capaces de

conseguir mayores energas en las partculas

aceleradas. Sin embargo necesitan

configuraciones de campos electromagnticos

mucho ms complejos, pasando de los simples

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dipolos elctricos y magnticos que usan el resto de aceleradores a configuraciones de cuadrupolos,

sextupolos, octupolos y mayores.

Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnolgicas e industriales, tales

como y entre otras muchas:

El desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos electromagnticos necesarios, sin la

necesidad de elevar el consumo elctrico hasta

cotas impensables,

sistemas de vaco, que permitan mantener las

partculas en el conducto donde se mantienen

las partculas, sin prdidas del haz inadmisibles,

superordenadores, capaces de calcular las

trayectorias de las partculas en las distintas

configuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar las enormes cantidades de datos generadas en

los anlisis cientficos de los grandes aceleradores como el LHC.

PRINCIPIOS FSICOS

Como toda gran mquina elctrica, el acelerador de partculas tiene sus fundamentos tericos, en el

caso del acelerador, los ms relevantes se hallan en el mbito de la fsica, siendo un poco ms

especficos, existe una ecuacin en la cual se fundamenta todo el estudio y anlisis de los aceleradores

y en el cual nos centraremos. Esta ecuacin no es ms que la desarrollada por Albert Einstein y es la

siguiente:

E=mc2

Einstein en su teorema de la relatividad nos dice que La masa es una forma de energa. A partir de

esta teora, nacen dos nuevos conceptos que ya se han podido comprobar durante los experimentos

realizados con los aceleradores de

partculas y estos son:

1) La energa puede

transformarse en masa; cuando las

partculas se mueven a velocidades

cercanas a la luz, se crea un efecto

en donde estas partculas, debido a

la cantidad de energa muy grande,

ya no pueden aumentar ms su

velocidad pero sufren un

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incremento en su masa lo que causa que tengan una masa mucho mayor a la que tienen en reposo.

Las masas pueden aniquilarse dando energa; por otra parte, sucede que, cuando las masas de los

ncleos de 2 o ms partculas se unen, liberan energa y muchas veces el ncleo resultante tiende a

tener una masa ligeramente menor a la masa que debera tener, es decir, la masa resultante no es

directamente la suma de las masas que la conformaron, sino que es levemente menor, por esta razn

es que se dice que hubo un desprendimiento de masa o perdida de masa liberando energa. De igual

manera suceden procesos inversos en los que absorben energa, estos procesos corresponden a la

fusin nuclear.

Estos experimentos se los realizan con el fin de conocer un poco ms sobre la base de toda la

materia, es decir, tratar de conocer los componentes ms bsicos de la materia, lo que se suele

denominar como partculas elementales debido a que no se podran dividir a un nivel ms pequeo.

Muchos cientficos y fsicos afirman que esto implicara conocer

el comportamiento de toda la materia y que consecuentemente

entenderamos mejor el mundo que nos rodea y

responderamos a preguntas como porque los cuerpos se atraen

o porque la materia se transforma.

Pero este universo que es de la fsica de partculas se halla a un

nivel sub-sub-atmico, es decir, en unidad de medida de

longitud vendra a ser 1*10E-18 metros o inclusive ms

pequeo.

Estudios relativamente recientes, han determinado la existencia de partculas elementales llamadas

quarks, las cuales se busca estudiar con la ayuda del acelerador de partculas.

Adems, existe un gran inters en demostrar o desechar la existencia de una partcula llamada Boson

de Higgs, la cual se cree que podra ser la causante de que el resto de partculas constituyentes de la

materia tengan masa.

Ciertamente la respuesta a este enigma es an desconocida, para dar respuesta a este y otros

paradigmas mas, es que los cientficos se valen de la

ayuda de los aceleradores de partculas.

EL CERN Y EL LHC

El CERN por sus siglas (Centro Europeo de Investigacin

Nuclear). Es una institucin en el cual participan ms de

20 pases y en el cual se realizan estudios de las partculas

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ms fundamentales que constituyen la materia mediante colisiones de las mismas a grandes

velocidades.

Esta centro fue creado alrededor del ao 1954, y se ubica bajo las fronteras de Suiza y Francia, tiene un

permetro de 27Km y una profundidad de 140m, en el se trabajan con energas de hasta 14TeV.7

Por su parte, el LHC por sus siglas en ingles (Large Hadron Collider), el gran colisionador de hadrones

es un acelerador y colisionador de partculas que est ubicado en el CERN, y fue diseado para

colisionar haces de protones, con el propsito de examinar la validez de la teora que describe las

relaciones entre las partculas elementales, a esta teora si la conoce como modelo estndar la cual es

el marco terico de la fsica de partculas.

Dentro del LHC se llevan a cabo diversos procesos para realizar la colisin de las partculas, dichos

procesos o pasos sern explicados de manera superficial a continuacin tratando de abarcar las etapas

esenciales antes que las partculas lleguen a colisionar entre ellas.

LHC: ETAPAS Y FUNCIONAMIENTO

La ciencia a seguido un largo camino para tratar de entender los bloques de los que est hecho la

materia. Newton y otros han hecho esfuerzos para el desarrollo de una teora para la materia, en los

ltimos 100 aos los cientficos descubrieron que los tomos

no eran macizos.

Con la ayuda del LHC se intenta descubrir todos los secretos

que se ocultan en las partculas elementales. La fsica

moderna analiza partculas a nivel sub subatmico, a estas

partculas se las denomina quarks, nadie ha visto uno aun,

pero se ha comprobado que estos existen, pero, como la

ciencia ha determinado que estos en verdad existen?

Bueno esto se

pretende demostrar

con la ayuda de los aceleradores de partculas, pero ms

especficamente con el LHC, en el, las partculas se aceleran

hasta obtener velocidades cercanas a la de la luz, pero para

ello se siguen una serie de etapas antes de realizar las

colisiones y poder estudiar los resultados obtenidos.

Una de botella de hidrogeno es el comienzo del mayor

acelerador de partculas (LHC) (Gran colisionador de hadrones), que se encuentra situado bajo las

montaas de ginebra, suiza. Los tomos de hidrogeno, son introducidos dentro de un acelerador lineal,

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pero antes de comenzar son ionizados (se les quitan los electrones), de tal manera que queda

nicamente los ncleos, es decir, protones estos tienen carga positiva y pueden ser acelerados por

accin de un campo elctrico.

El camino de estas partculas que van a colisionar a energas enormes empieza con la aceleracin de los

protones mediante un acelerador lineal, hasta alcanzar una velocidad de aproximadamente 1/3 de la

velocidad de la luz.

A partir de aqu comienza una segunda etapa que ya no puede ser

lineal, para aumentar la intensidad del aceleracin el paquete de

protones se divide en 4, ahora la aceleracin es de forma circular, en

una circunferencia de unos 150metros. Los tomos dan vueltas y

vueltas mientras son empujados mediante la accin de un campo

elctrico positivo que se aplica cuando los protones pasan por un

determinado punto, adems otros campos elctricos hacen que las

trayectorias sean las correctas, de esta manera los protones se

acelera hasta el 91.6% de la velocidad de la luz.

Una vez acelerados, los paquetes van a ser recombinados en 2 haces, de esta manera sern llevados

hasta el acelerador protn sincrotrn, en una tercera etapa. Ahora ya estn en un acelerador de 628

metros de circunferencia ah los protones van a tomar una velocidad del 99.9% de la velocidad de la

luz.

Ahora hemos alcanzado un punto, que en el de a partir

de ahora toda la energa que se transmite a los protones

mediante los campos elctricos ya no se pueden

transformar en mayor velocidad, pues ninguna partcula

se puede acelerar a mayor velocidad que la velocidad de

la luz, de modo que la energa aadida se convierte en

masa que se aade a los protones, en otras palabras los

protones ya no van a ir ms rpido, pero sern ms

pesados(la energa cintica de los protones se mide en

electronvoltios), en este punto la energa de cada protn

es de 25GeV (los protones son 25 veces ms pesados que

cuando estn en reposo).

Finalmente, los protones pasan en una 4ta etapa, el sper protn sincrotrn, un anillo de 7km de

circunferencia, aqu la energa de los protones se eleva hasta 425GeV y estn listos para pasar al

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gigantesco gran colisionador de hadrones (LHC) si todo bajo los campos y montaas entre Francia y

suiza, un anillo de 27km donde los haces de protones van a circular en sentido contrario.

Dos sofisticados ingenios sincronizan los haces de forma que hacen que uno circule en sentido de las

manecillas del reloj, mientras el otro lo hace en sentido contrario. De este modo se consigue que

cuando se choquen los haces de protones la energa conseguida sea el doble.

Aproximadamente 30 minutos despus de haber inyectado los tomos de hidrogeno en el acelerador,

estamos listos para la colisin. Se tienen alrededor de 2800 paquetes y durante este tiempo el LHC

aade energa a los protones, la velocidad es tan prxima a la velocidad de la luz que dichos haces dan

11000 vueltas por segundo alrededor del anillo, finalmente cada protn tiene una energa de 7TeV y

son 7000 veces ms pesados que en reposo.

Los campos magnticos que son necesarios para mantener a los protones dentro del anillo son tan

grandes que hacen falta ms de 12mil electro imanes para mantenerlos, y tienen que ser tan eficientes

que necesitamos que estn hechos de material superconductor. Finalmente se va a producir la colisin

entre dos protones con una energa total de 14TeV, tratando de reproducir condiciones posteriores al

big bang.

Las trayectorias del producto de colisin son analizadas por ordenadores conectados a los detectores,

as es como se encuentran las nuevas partculas y como se investiga lo que pudo haber ocurrido en los

primeros instantes del universo, como se comporta actualmente y que va a ocurrir en el futuro.

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En sntesis, de esta manera es como se

producen las colisiones entre los haces de

protones, de igual manera se dice que los

quarks fueron descubiertos en experimentos

como este en el ao de 1996. Ahora, lo que se

intenta lograr mediante estos experimentos

es recrear las condiciones que pudieron

haberse dado en los primeros instantes

despus de la explosin del big bang,

realizando esto, pudisemos tener una ligera

idea de cmo funciona el universo e incluso

pudisemos obtener pautas para que, de cierta forma, determinar que podra pasar en el futuro, por

esta razn es que los cientficos del mundo demuestran tal inters en el xito de este experimento,

pero esto al mismo tiempo ha levantado muchas controversias, criticas e incluso temores. Han

aparecido muchas nuevas teoras sobre lo que podra suceder durante o despus de uno de estos

experimentos.

De igual manera los experimentos ms recientes muestran resultados impresionantes e inimaginables,

resultados que ya han marcado una nueva etapa para la fsica, o al menos, han cambiado la forma de

ver la fsica de todos los cientficos as como de las personas comunes.

ACELERADORES DE PARTCULAS: APLICACIONES COMUNES E IMPACTO SOCIAL

Tras haber analizado los aceleradores de

partculas podemos decir que no todos son de

tamao colosal como el LHC, sino que los

encontramos a menor escala en nuestro diario

vivir y que si no fuese por estos aceleradores no

pudisemos hacer varias cosas en nuestra vida

cotidiana como por ejemplo ver la televisin. Este

ejemplo del televisor es el ms bsico y el ms comn

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de todos debido a que dentro del televisor encontramos un acelerador lineal, en donde las partculas

aceleradas inciden sobre la pantalla emitiendo luz y desvelando las imgenes que vemos.

Pero la televisin no es la nica aplicacin que tienen los aceleradores de partculas, existen varios

instrumentos como por ejemplo en el rea de la medicina que no existiran de no ser por los

aceleradores.

De esta manera podemos asegurar que los aceleradores abarcan ms que solo realizar colisiones de

partculas y tratar de descubrir las bases de la materia.

Este proyecto del LHC se ha visto envuelto en una serie de circunstancias y debates sobre si estara o

no bien realizar este tipo de experimentos, as como la opinin de diversos grupos humanos entre

prensa, iglesia y otros grupos cientficos. Ciertamente la tensin aparece cuando se habla sobre la

posibilidad de que sucedieran algn tipo de error o accidente y se perdiera el control del LHC o ms

propiamente dicho, que se perdiera el control de la reaccin que se origina al colisionar los haces de

protones, arrojando como posibilidades de la creacin de un agujero negro que pudiera tragarse al

planeta o que sucediera una reaccin que dejara al planeta inerte. De igual manera otros tipos de

crticas rodean al LHC como el hecho

de que se lo llega a llamar La

mquina de Dios, o que con esta

mquina se pretende encontrar La

partcula de Dios.

Por todas estas cuestiones, el LHC es

uno de los proyectos ms

controversiales de la historia. A

preguntas como estas, o temores

comunes de las personas, los

directores del CERN responden lo

siguiente: Ridculo, obviamente, el

mundo no se acabar cuando se

encienda el LHC", dijo el lder del proyecto Lyn Evans. Davis Francis, un fsico del enorme detector de

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partculas ATLAS, del LHC, sonri cuando se le pregunt si le preocupaban los agujeros negros y las

hipotticas partculas mortferas llamadas strangelets. "Si yo supusiera que esto fuese a suceder,

estara bien lejos de aqu", respondi.

La seguridad del colisionador, que generar

energas siete veces superiores a las de su rival ms

poderoso, el Fermilab cerca de Chicago, ha sido

motivo de debate durante aos. El fsico Martin Rees

ha calculado que las probabilidades de que un

acelerador produzca una catstrofe global son de

una en 50 millones: diminuta, pero igual a la de

ganar algunas de las loteras. Por el contrario, un

equipo de CERN emiti este mes un informe segn el

cual "no hay peligros concebibles" de que se

produzca un acontecimiento cataclsmico. El informe

confirm esencialmente las conclusiones de un informe sobre seguridad de CERN en el 2003, y un

panel de cinco prominentes cientficos no afiliados a CERN, incluyendo un premio Nobel, aval las

conclusiones.

Al refutar las predicciones apocalpticas, los cientficos de CERN aclaran que los rayos csmicos han

bombardeado la Tierra y han desencadenado colisiones similares a las planeadas para el LHC desde

que se form el sistema solar hace cuatro mil 500 millones de aos. Y hasta ahora la Tierra ha

sobrevivido. "El LHC slo va a reproducir lo que la naturaleza hace cada segundo, lo que ha estado

haciendo durante miles de millones de aos", dijo John Ellis, un fsico terico de CERN. Crticos como

Wagner han dicho que las colisiones causadas por aceleradores podran ser ms peligrosas que las de

los rayos csmicos. Ambas podran producir miniagujeros negros, versiones subatmicas de los

agujeros negros csmicos, estrellas

comprimidas cuyo campo de gravitacin es

tan poderoso que pueden tragarse planetas

enteros y otras estrellas. Pero los

miniagujeros negros producidos por las

colisiones de rayos csmicos probablemente

viajaran a tal velocidad que atravesaran la

Tierra sin consecuencias.

Los miniagujeros negros producidos por un

acelerador de partculas, conjeturan los

escpticos, se desplazaran ms lentamente

y podran quedar atrapados dentro del campo gravitacional de la Tierra, y a la larga amenazar el

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planeta. Ellis dijo que los objetores dan por sentado que el colisionador crear microagujeros negros, lo

que consider improbable. Y aun si aparecieran, dijo, se evaporaran instantneamente, como

pronostic el fsico britnico Stephen Hawking.

De cualquier manera, y aunque se extremen las precauciones, siempre

existir un temor hacia lo que podra ocurrir, es este mismo temor el que

nos obliga a tomar todas las precauciones de caso. Controversial o no, no

cabe duda de que el acelerador de partculas es un instrumento que nos

ayudara a desvelar muchos enigmas existentes.

BOSN DE HIGGS

Qu es el bosn de Higgs?

El Modelo Estndar de la fsica de partculas establece los fundamentos de cmo las partculas y las

fuerzas elementales interactan en el universo. Pero la teora fundamentalmente no explica cmo las

partculas obtienen su masa.

Las partculas, o trozos de materia, varan en tamao y pueden ser ms grandes o ms pequeas que

los tomos. Los electrones, protones y neutrones, por

ejemplo, son las partculas subatmicas que

conforman un tomo.

Los cientficos creen que el bosn de Higgs es la

partcula que da a toda la materia su masa (cantidad

de materia en los sentidos de gravedad e inercia).

Los expertos saben que las partculas elementales

como los quarks y los electrones son la base sobre la

cual se construye toda la materia del universo. Ellos

creen que el esquivo bosn de Higgs da a las

partculas su masa y llena uno de los agujeros de la

fsica moderna.

La partcula bosn Higgs es un elemento esencial para

el llamado Modelo Estndar de la Fsica, que

representa la teora, generalmente aceptada, de

cmo el universo se organiza.

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Determinando su existencia, fortalecera efectivamente la relevancia del Modelo Estndar, explicando,

a su vez, los resultados de innumerables experimentos fsicos y, asimismo, la razn por la cual ciertas

partculas se comportan del modo como lo hacen.

Del mismo modo, estableciendo de manera conclusiva la existencia del bosn Higgs, resultara en que

la ciencia astrofsica se orientar en una direccin ms acertada permitiendo a investigadores futuros,

concentrar sus esfuerzos de manera ms firme, abriendo puertas a nuevos descubrimientos,

destinados a confirmar el principio del cosmos y determinar el origen de la vida.

Cmo funciona el bosn de Higgs?

El bosn de Higgs es parte de una teora propuesta primero por el fsico Peter Higgs y otros en la

dcada de 1960 para explicar

cmo obtienen masa las

partculas.

La teora propone que un

llamado campo de energa Higgs

existe en todas partes del

universo. A medida que las

partculas pasan a toda

velocidad en este campo,

interactan y atraen a bosones

de Higgs que se agrupan

alrededor de las partculas en

un nmero variable.

Imagina el universo como una fiesta. Invitados relativamente desconocidos en la fiesta pueden pasar

rpidamente a travs del saln, desapercibidos, pero los invitados ms populares atraen a grupos de

personas (bosones de Higgs) que luego ralentizarn su movimiento a travs de la habitacin.

La velocidad de las partculas que se mueven a travs del

campo de Higgs funciona de manera bastante parecida.

Ciertas partculas atraern grandes grupos de bosones de

Higgs; y entre ms bosones de Higgs atraiga una partcula,

mayor ser su masa.

Por qu "Dios" es parte del nombre de esta partcula

subatmica?

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Leon Lederman, galardonado con el Premio Nobel en fsica en el ao 1993, le dio el alias de "la

Partcula de Dios", por su rol central en la fsica terica, aunque el profesor Higgs y sus colegas en el

laboratorio CERN, repudiaron esta designacin por sus connotaciones religiosas.

Los ensayos que, se presumen, demostraron la existencia de la estructura, fueron resultados de los dos

experimentos ms grandes que fueran completados en el Gran Colisionador de Hadrones (Large

Hadron Collider), la fabulosa mquina subterrnea que tritura partculas subatmicas utilizando, para

los fines, niveles de energa enormes.

El popular apodo de la esquiva partcula fue creado por el ttulo de un libro escrito por el Premio Nobel

de Fsica, Leon Lederman, segn se dice contra su voluntad, ya que Lederman dijo que quera llamarla

Goddamn Particle (Partcula Maldita por Dios), porque nadie poda encontrar esa cosa.

'Partcula de Dios' (God Particle) es un apodo que no me gusta, dice Archer. No tiene nada que ver

con la religin; la nica similitud (terica) es que ests observando algo que es un campo que est en

todas partes, en todos los espacios (y no lo puedes ver).

Por qu es tan importante encontrar el bosn de Higgs?

Aunque encontrar el bosn de Higgs no nos dir todo lo que necesitamos saber acerca de cmo

funciona el universo, llenar un enorme agujero en el Modelo Estndar que ha existido durante ms de

50 aos, segn los expertos.

El bosn de Higgs es la ltima

pieza que falta en nuestra actual

comprensin de la naturaleza ms

fundamental del universo, dijo

Martin Archer, un fsico del

Imperial College de Londres, a

CNN.

Slo ahora con el LHC seremos

realmente capaces de tachar ese

pendiente y decir: 'As es cmo

funciona el universo, o al menos

creemos que as lo hace'.

No es el punto culminante, pero

en trminos de lo que podemos decir prcticamente sobre el mundo y cmo es el mundo, realmente

nos dice mucho.

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Gordon Kane, director del Centro Michigan de Fsica Terica, agreg que encontrar evidencia del bosn

de Higgs sera un xito maravilloso de la ciencia y de las personas durante cuatro siglos.

Lo que conocemos, aunque no se haya certificado

Ambos experimentos han, precisamente, confirmado de manera independiente, la existencia de una

nueva partcula subatmica, con una masa de aproximadamente 125.5 GeV (voltios gigaelectrnicos),

que resulta ser 133 veces ms pesada que los protones que se encuentran en el centro de cada tomo

en existencia.

A pesar de que los datos compilados no proporcionan confirmacin absoluta, los cientficos no tienen

duda alguna de que lo que han descubierto representa una entidad subatmica que se ajusta a la

descripcin del bosn de Higgs, como fuera vaticinada por el Modelo Estndar de la fsica, el presente

esquema hipottico que unifica las diferentes fuerzas

de la Naturaleza.

Los fsicos tericos han postulado por mucho tiempo

que partculas, como las de Higgs, estn omnipresente

por toda la extensin del universo, creando un campo

de energa invisible que causa que otras partculas

adquieran masa, permitiendo la fusin de materia en

objetos de mayor tamao, que van desde las

molculas, hasta las estrellas y los planetas.

Sin ellas el universo estara despoblado.

Aunque la partcula Higgs, ms aptamente llamada un

"bosn escalar", fue postulada por la vez primera a principios de la dcada de los 1960s --- por un

nmero de fsicos tericos, laborando independientemente --- fue el Gran colisionador de hadrones el

instrumento que permiti a la ciencia demostrar que, en realidad, sta existe.

Quines son los cientficos que buscan el bosn de Higgs?

En el ltimo ao los cientficos han buscado el bosn de Higgs al estrellar conjuntos de protones a alta

velocidad en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en ingls) de 10,000 millones de

dlares del Consejo Europeo de Investigacin Nuclear, (CERN, por sus sigls en francs) en Ginebra,

Suiza.

En el interior del LHC, que se encuentra 100 metros bajo tierra en un tnel de 27 kilmetros y es el

acelerador de partculas ms poderoso jams construido, colisiones de protones a alta velocidad

generan una serie de partculas an ms pequeas que los cientficos escudrian en busca de una seal

en los datos que sugiera la existencia del bosn de Higgs.

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Simplemente esperas que en algn lugar de estas colisiones puedas ver algo... una especie de bache

estadstico, dice Archer.

Si los bosones de Higgs existen, son evasivos, estallando y luego desapareciendo de nuevo

rpidamente. Esto significa que los cientficos del LHC slo sern capaces de observar sus restos en

descomposicin, dice Archer.

Ha llevado aos a los cientficos reducir el rango de masa en el que crean que el bosn de Higgs podra

existir; pero durante el ao pasado, un bache estadstico sugiri que estn en el camino correcto.

Ahora que estn empezando a

obtener un 'bache', los cientficos

deberan de ser capaces de

conseguir ese resultado cada vez

ms, dice Archer.

EL GRAN COLISIONADOR DE

HADRONES (GCH)

El aparato que permiti completar

la aclamada proeza, reside en un

tnel circular de 27km de

circunferencia, a horcajadas de la

frontera Franco-Suiza, en los

suburbios de la ciudad de Ginebra.

El Gran Colisionador de Hadrones

de CERN (European Organization

for Nuclear Research)

Gran Colisionador de Hadrones del

Centro Europeo de Investigacin Nuclear (CERN)

Es el ms moderno y el ms complejo de los aparatos que han sido realizados por la inventiva del ser

humano, requiriendo la cooperacin de miles de fsicos provenientes de docenas de pases, trabajando

a tiempo completo por una dcada para erigirlo y hacerlo operacional.

CERN

Pero, an con 26 kilmetros de tneles, acelerando dos corrientes de protones en direcciones

opuestas a ms de 99.9999 por ciento de la velocidad de la luz, y, triturando al unsono, partculas ---

en colisiones miles de millones de veces por segundo, produciendo cientos de tomos con cada

19

sacudida. Dos detectores enormes, con un banco de ms de 3,000 computadoras --- analizando

eventos en bsqueda por algo de inters --- la partcula Higgs nunca aparece directamente por s

misma.

En similar manera al fabuloso gato de Cheshire que aparece en Alicia en el Pas de la Maravilllas, la

partcula de Higgs --- cuando se manifiesta --- slo deja una sonrisa en el vaco, lo que significa que se

descompone, de inmediato, en otras estructuras.

Luego de una considerable cantidad de tiempo en la computadora, es posible seguir y visualizar ---

mirando hacia atrs --- las partculas restantes, para determinar la masa y las otras propiedades de las

candidatas invisibles de Higgs.

Se dice "candidatas", porque, hasta ahora, el resultado de cada una de las dos mayores colaboraciones

experimentales que el Gran Colisionador de Hadrones (GCH) ha conducido, es haber descubierto una

partcula nueva con propiedades consistentes con el Modelo Estndar, que nos revela que la partcula

Higgs debe de ser producida a un ritmo comparable al tempo observado y debiera descomponerse en

las combinaciones especficas de las partculas elementales que son visibles.

En este caso los fsicos estn siendo muy conservativos.

De hecho, se puede cuantificar la posibilidad de que las investigaciones estn equivocadas y que los

eventos presentes son en actualidad ruidos de trasfondo simulando la seal real.

Cada experimento indica la posibilidad de una proximidad de "5 sigma", significando que la

contingencia de que los eventos divisados fueron producidos por casualidad son menos de uno en 3.5

millones.

20

Pero, a pesar de esto, la nica asercin que, hasta ahora, se ha expresado, es que la partcula es "real"

y con apariencia a Higgs.

Adems, los datos disponibles todava son demasiado minsculos estadsticamente para determinar

con precisin que la informacin es consistente con el modelo estndar.

Este enfoque cauteloso es uno acertado, porque deja abierta la posibilidad de que la partcula que

fuera observada no es exactamente el simple corpsculo de Higgs del modelo estndar.

Atrapar el bosn

La teora de Higgs parece funcionar bien y encajar perfectamente en el Modelo Estndar. Sin embargo,

falla en un punto para nada irrelevante: nadie nunca ha detectado la existencia del bosn de Higgs. El

problema es que todo podra ir como si la partcula misteriosa existiera. Por esto, el ao que viene

empezar un gran experimento proyectado para atrapar el bosn. Se llevar a cabo en el Centro

Europeo de Fsica Nuclear, en Ginebra. All, se harn chocar unas partculas pesadas en el interior de un

acelerador de partculas de un

dimetro de 27 kilmetros. Se

espera encontrar el bosn entre los

fragmentos que surjan del choque.

Y si no se encontrara nada? Pues,

no sera ninguna tragedia.

Simplemente se tendra que concluir

que algo falla en el Modelo Estndar

y que las cosas son ms complicadas

de lo que se esperaba. Y, por si

acaso, los cientficos ya estn

trabajando en unas teoras

alternativas.

Qu pasara si los cientficos no encuentran el bosn de Higgs?

El consenso general entre los acadmicos de la fsica es que el campo de Higgs y el bosn existen, de

acuerdo con Archer.

Simplemente tiene sentido en el marco en el que hemos establecido todo, dado que todo lo que

podemos describir y podemos ver parece ser descrito de esta sencilla manera, dice Archer.

21

Casi todos los cientficos creen que el Gran Colisionador de Hadrones o bien probar o refutar la

existencia del bosn de Higgs de una vez por todas; por lo que si el LHC no lo encuentra, no existe,

dicen los expertos.

Martin Archer cree que un fracaso en la bsqueda del bosn de Higgs sera an ms emocionante que

descubrir la esquiva partcula.

Si no lo ves, realmente significa que el universo al nivel ms fundamental es ms complicado de lo que

pensbamos, dice Archer, y por lo tanto, tal vez la forma en que hemos estado abordando la fsica no

es la correcta.

Parte del problema es que, de acuerdo con las predicciones, el bosn de Higgs es una partcula de gran

masa, de modo que hace falta una enorme cantidad de energa para producirlos (de ah que el futuro

LHC pueda conseguirlo). El segundo problema es que no es posible detectarlos directamente: entre

otras cosas, se estima que tienen una vida media de unos 0,0000000000000000000001 segundos; pero

s es posible detectar las partculas en las que se desintegran.

22

Los fsicos quieren, pues, calcular cuntas posibles combinaciones de partculas pueden producirse por

la desintegracin de un bosn de Higgs, y con qu probabilidad se produce cada una de esas

combinaciones. Si se detectan esas combinaciones de partculas en el LHC y con una frecuencia similar

a las probabilidades predichas, ser muy probable que se haya observado un bosn de Higgs. Los

sensores del LHC registrarn datos a un ritmo de unas 10.000 copias de la Enciclopedia Britnica por

segundo durante los experimentos, que los cientficos analizarn para tratar de descubrir el bosn de

Higgs escondido en ellos,

si es que est ah.

As que puede que la

noticia de la deteccin de

esta partcula tan

fascinante no sea

inmediata, sino que es

posible que se anuncien

observaciones

compatibles con ella, que

los cientficos vayan

calculando probabilidades

y combinaciones y, poco a

poco, la comunidad

cientfica se vaya

convenciendo de que se ha visto un bosn de Higgs. Tambin es enteramente posible que no se vea

absolutamente nada, que los patrones de partculas producidas en el LHC sean completamente

incompatibles con la teora de Higgs y que haya que buscar otras alternativas (hay fsicos que no creen

que el campo de Higgs exista).

Actualizacin el 4 de julio de 2012: El CERN ha publicado la posible confirmacin de la existencia del

bosn de Higgs.

Asuntos relevantes

La importancia de los bosones es que son motas subatmicas que emiten energa. Cuando Higgs

postul su existencia; el cientfico sugiri que su presencia podra explicar la razn por la cual la

materia --- desde la de los tomos, a la de la luz, a la de los planetas --- puede flotar por todo el

universo sin poseer masa alguna, como hacen los fotones luminosos.

Para quienes se preguntan por qu ha tomado tanto tiempo localizar la minscula sustancia, es porque

si, las partculas Higgs, de veras existen, stas se revelaran por slo una fraccin de segundo.

23

La teora sugiere que una cantidad suficiente de ellas se haran visibles con mayor facilidad si rayos de

protones colisionados amasados a energas elevadsimas pudieran producirse.

Hasta la construccin del Gran Colisionador de Hadrones no exista un instrumento capaz de lograr los

niveles de fuerza requeridos para lograr el propsito.

Aunque, hoy, existen ciertos aspectos del descubrimiento, a pesar del optimismo resultante, que

requieren esclarecimiento.

Hasta ahora lo conocido es que se ha descubierto una nueva partcula subatmica con una masa de

alrededor de 130 protones.

Que resultados preliminares indican que este corpsculo concuerda con la concepcin existente de

un bosn Higgs?.

Que puede que sea el bosn antedicho, o puede que sea uno de varios ms, ya que la teora sugiere

que puede que haya ms de uno?.

Mientras el asunto se resuelve, nos queda esperar con optimismo, como esperamos que se resuelvan

otros misterios de naturalezas psicolgicos y neurocientficos.

EL SIGNIFICADO DE ESTE DESCUBRIMIENTO Y EL MODELO ESTNDAR

Los fsicos, tratando de comprender el universo, han elaborado un esquema de trabajo que incorpora

las varias fuerzas que existen en la Naturaleza.

Modelo Estndar

El problema ha sido que este modelo, ampliamente aceptado, no logra explicar la razn por la cual la

materia posee masa, sin la asistencia estructural

provista por el bosn de Higgs.

Si el bosn de Higgs no es localizado, entonces,

toda la organizacin en la que actualmente se

funda el edificio de la fsica terica moderna se

desintegrara.

De lo que deriva, que localizando este bosn

proveera un soporte muy poderoso para la

estabilidad del estndar utilizado como modelo.

En la situacin en que hoy nos encontramos, es

que tenemos que confirmar que la nueva partcula, recin descubierta, es la de Higgs, mientras que el

24

Gran Colisionador de Hadrones (GCH) sigue operando persiguiendo otros proyectos en curso; como es

el de descubrir la "sper simetra", la idea de que las partculas subatmicas poseen gemelos idnticos.

Lo que consistiera en que, si existiera un campo universal de trasfondo invisible, permeando el espacio

vaco a travs del universo, que, entonces, partculas elementales podran interactuar con este campo.

An en el caso de que

inicialmente las partculas

carecieran de masa, que

ellas encontraran

resistencia a sus

movimientos en medio de

sus interacciones dentro

de este campo, y que, por

consecuencia, se

ralentizaran.

Entonces, actuaran como

si poseyeran masa.

Es similar a tener que

empujar un vehculo fuera

del camino porque se le

agot el combustible.

Una sola persona, con la ayuda de un amigo, puede empujarlo siempre y cuando permanezca en el

pavimento, pero una vez que sale del asfalto y encuentra el fango, el carro no se mueve porque se

torna ms pesado aunque no lo sea.

En un pasado no muy remoto, se haba reconocido que este fenmeno poda, no solo explicar la razn

por la cual partculas elementales, como las que constituyen nuestros organismos, poseen las masas

que poseen, sino que asimismo podra aclarar la razn por la cual dos de las cuatro fuerzas conocidas

en la Naturaleza --- el electromagnetismo y la llamada "fuerza dbil" (responsable por los procesos que

activan el sol) --- que en la superficie aparecen muy distintas a las escalas que nosotros medimos. Son

en realidad simple manifestaciones con apariencias distintas de la misma fuerza simple, ahora

conocida como la fuerza "electro-dbil".

Todas las predicciones basadas en estas ideas han resultado estar de acuerdo con el experimento.

25

HISTORIA

En los aos de los 1990s en los Estados Unidos, una mquina gigantesca llamada el Spercolisionador

Sperconductor, se estaba construyendo --- necesitando la terminacin del tnel ms grande que

nunca se hubiera excavado, con unas 60 millas en circunferencia --- para localizar a Higgs y determinar

el origen universal de la masa.

Pero, el Congreso, siempre insulso, y, ansioso a complacer sus patrocinadores privados o autorizar

dineros para las aventuras militares que esa nacin siempre inicia alrededor del globo, decidi que el

costo de 5 a 10 mil millones de dlares que haban sido apropiados por tres presidentes, deba

revocarse, eliminando el proyecto.

De esta manera, el GCH fue construido por un grupo de naciones europeas en colaboracin.

El resto ya es parte de la misma historia.

Mientras tanto, se estima que los Estados Unidos gastan unos estimados 10,000 millones de dlares al

mes en las guerras de Irak y Afganistn desde sus deslucidos comienzos.

CREACIN DE LA MATERIA OSCURA

HISTORIA DEL AGUJERO NEGRO.

Un catedrtico de Cambridge, John

Michell, escribi en 1783 un articulo

en el Philosophical Transactions of

the Royal Society of London en el que

sealaba que una estrella que fuera

suficientemente masiva y compacta

tendra un campo gravitatorio tan

intenso que la luz no podra escapar:

la luz emitida desde la superficie de la

estrella sera arrastrada de vuelta

hacia el centro por la atraccin

gravitatoria de la estrella, antes que

pudiera llegar muy lejos. Michell

sugiri que podra haber un gran

nmero de estrellas de este tipo. A pesar que no seriamos capaces de verlas porque su luz no nos

alcanzara pero si notaramos su atraccin gravitatoria.

26

Estos objetos son los que hoy en da llamamos agujeros negros, ya que esto es precisamente lo que

son: huecos negros en el espacio. Por aquel entonces la teora de Newton de gravitacin y el concepto

de velocidad de escape

eran muy conocidos.

Michell calcul que un

cuerpo con un radio 500

veces el del sol y la misma

densidad tendra, en su

superficie, una velocidad

de escape igual a la de la

luz y sera invisible.

En 1796, el matemtico

francs Pierre-Simon

Laplace explic en las dos

primeras ediciones de su

libro Exposition du

Systeme du Monde la

misma idea. Pero al ganar

terreno la idea de que la

luz era una onda sin masa, en el siglo XIX fue descartada en ediciones posteriores.

En 1915, Einstein desarroll la relatividad general y demostr que la luz era influenciada por la

gravedad. Unos meses despus, Karl Schwarzschild encontr una solucin a las ecuaciones de Einstein,

donde un cuerpo pesado absorbera la luz. Se sabe ahora que el radio de Schwarzschild es el radio del

horizonte de sucesos de un agujero negro que no gira, pero esto no era bien entendido en aquel

entonces. El propio Schwarzschild pens que no era ms que una solucin matemtica, no fsica.

En 1930, Subrahmanyan Chandrasekhar demostr que un cuerpo con una masa crtica, ahora conocida

como lmite de Chandrasekhar, y que no emitiese radiacin, colapsara por su propia gravedad porque

no haba nada que se conociera que pudiera frenarla (para dicha masa la fuerza de atraccin

gravitatoria sera mayor que la proporcionada por el principio de exclusin de Pauli). Sin embargo

Eddington se opuso a la idea de que la estrella alcanzara un tamao nulo, lo que implicara una

singularidad desnuda de materia, y que debera haber algo que inevitablemente pusiera freno al

colapso, lnea adoptada por la mayora de los cientficos.

En 1939, Robert Oppenheimer predijo que una estrella masiva podra sufrir un colapso gravitatorio y

por tanto los agujeros negros podran ser formados en la naturaleza. Esta teora no fue objeto de

mucha atencin hasta los aos 60 porque se tena ms inters en lo que suceda a escala atmica

despus de la guerra.

27

Entre 1965 y 1970, Stephen Hawking

y Roger Penrose probaron que los

agujeros negros son soluciones a las

ecuaciones de Einstein y que en

determinados casos no se poda

impedir que de un colapso se crease

un agujero negro.

En 1967, sin embargo, el estudio de

los agujeros negros fue

revolucionado por Israel Werner, un

cientfico canadiense (que naci en

Berln, creci en Sudfrica, y obtuvo el titulo de doctor en Irlanda). Israel demostr que, de acuerdo

con la relatividad general, los agujeros negros sin rotacin deban ser muy simples; eran perfectamente

esfricos, su tamao solo dependa de su masa, y dos agujeros negros cualesquiera con la misma masa

serian idnticos. De hecho, podran ser descritos por una solucin particular de las ecuaciones de

Einstein, solucin conocida desde 1917, hallada gracias a Karl Schwarzschild al poco tiempo del

descubrimiento de la relatividad general.

Al principio, mucha gente, incluido el propio Israel, argument que puesto que un agujero negro tena

que ser perfectamente esfrico, slo podra formarse del colapso de un objeto perfectamente esfrico.

Cualquier estrella real, que nunca sera perfectamente esfrica, solo podra por lo tanto colapsarse

formando una singularidad desnuda.

Hubo, sin embargo, una interpretacin diferente del resultado de Israel, defendida, en particular, por

Roger Penrose y John Wheeler.

Ellos argumentaron que los rpidos

movimientos involucrados en el

colapso de una estrella implicaran

que las ondas gravitatorias que

desprendiera la haran siempre ms

esfrica, y para cuando se hubiera

asentado en un estado estacionario

sera perfectamente esfrica.

De acuerdo con este punto de vista,

cualquier estrella sin rotacin,

independientemente de lo

complicado de su forma y de su

28

estructura interna, acabara

despus de un colapso

gravitatorio siendo un

agujero negro perfectamente

esfrico, cuyo tamao

dependera nicamente de su

masa. Clculos posteriores

apoyaron este punto de vista,

que pronto fue adoptado de

manera general. El resultado

de Israel slo se aplicaba al

caso de agujeros negros

formados a partir de cuerpos

sin rotacin.

En 1963, Roy Kerr, un neozelands, encontr un conjunto de soluciones a las ecuaciones de la

relatividad general que describan agujeros negros en rotacin. Estos agujeros negros de Kerr giran a

un ritmo constante, y su tamao y forma slo dependen de su masa y de su velocidad de rotacin. Si la

rotacin es nula, el agujero negro es perfectamente redondo y la solucin es idntica a la de

Schwarzschild. Si la rotacin no es cero, el agujero negro se deforma hacia fuera cerca de su ecuador

justo igual que la Tierra o el Sol, se achatan en los polos debido a su rotacin, y cuanto ms rpido gira,

ms se deforma. De este modo, al extender el

resultado de Israel para poder incluir a los cuerpos en

rotacin, se conjetura que cualquier cuerpo en

rotacin, que colapsara y formara un agujero negro,

llegara finalmente a un estado estacionario descrito

por la solucin de Kerr.

En 1970, en Cambridge, Brandon Carter, dio el primer

paso para la demostracin de la anterior conjetura.

Prob que, con tal que un agujero negro rotando de

manera estacionaria tuviera un eje de simetra, como

una peonza, su tamao y su forma solo dependeran

de su masa y de la velocidad de rotacin. Luego, en

1971, demostr que cualquier agujero negro rotando de manera estacionaria siempre tendra un eje

de simetra. Finalmente, en 1973, David Robinson, del Kings College de Londres, uso el resultado de

Carter y de Stephen Hawkings para demostrar que la conjetura era correcta; dicho agujero negro tiene

que ser verdaderamente la solucin de Kerr. As, despus de un colapso gravitatorio, un agujero negro

29

se debe asentar en un estado en el que puede rotar, pero no puede tener pulsaciones, es decir,

aumentos y disminuciones peridicas de su tamao.

La frontera de un agujero negro no es una superficie de material real, sino una simple frontera

matemtica de la que no escapa nada, ni la luz que atraviese sus lmites, se llama el horizonte de

eventos; cualquier fenmeno que ocurra pasada esa frontera jams podr verse fuera de ella. El

horizonte de suceso es unidireccional: se puede entrar, pero jams salir

La idea de agujero negro tom fuerza con los avances cientficos y experimentales que llevaron al

descubrimiento de los plsares. Poco despus, el trmino "agujero negro" fue acuado por John

Wheeler.

PARTES DE UN AGUJERO NEGRO.

Un agujero negro tiene tres partes principales que debemos diferenciar:

1).Orbita del agujero negro:

Es el exterior del agujero negro. En el est toda la

materia que tarde o temprano va a ser engullida por

el agujero negro. Esta materia gira en torno al agujero

negro, pero poco a poco va desplazndose ms hacia

el interior. Nadie sabe todava donde va a parar esta

materia.

2).Horizonte de sucesos:

El horizonte de sucesos es como una vlvula que solo

puede atravesarse en un sentido. Una vez que lo cruzas es imposible salir de ah. Ni siquiera la luz

puede salir. Aqu, ya slo queda bajar hasta la singularidad, que es el punto y final del agujero negro.

Ponemos el ejemplo de una nave interestelar de las del tipo de las pelculas de ciencia ficcin. Si una

nave quisiera salir del horizonte de sucesos, necesitara una aceleracin infinita, prohibida por las leyes

de la fsica.

3).La singularidad:

La singularidad es la parte final del agujero negro. Aqu, la curvatura del espacio tiempo es muy

extrema, y en caso de que una nave llegase hasta aqu, el espacio tiempo la comprimira hasta

densidades superiores a las de miles de millones de toneladas por centmetro cbico que existen en el

ncleo de los plsares.

30

AGUJEROS NEGROS EN RELACIN A SU MASA

CONCEPTOS PRELIMINARES SOBRE EL PESO DE LOS

AGUJEROS NEGROS.

El concepto de un cuerpo tan pesado que ni la luz

pudiese escapar de l, fue descrito en un artculo

enviado a la Royal Society por un gelogo ingls

llamado John Michelle en 1783. Por aquel entonces

la teora de Newton de gravitacin y el concepto de

velocidad de escape eran muy conocidas. Michelle

calcul que un cuerpo con un radio 500 veces el del

sol y la misma densidad tendra, en su superficie,

una velocidad de escape igual a la de la luz y sera

invisible.

Aos ms tarde en 1928, un estudiante graduado de

la india Subrahmanyan Chandrasekhar, calcul lo

grande que podra llegar a ser una estrella que fuera

capaz de soportar su propia gravedad, antes de que se acabe su combustible. Descubri una masa

(aproximadamente 1.5 veces la masa del Sol) en la que una estrella fra no podra soportar su

gravedad. Esto es lo que se conoce como el lmite de Chandrasekhar. Si una estrella posee una masa

menor a la del lmite de Chandrasekhar, puede estabilizarse y convertirse en una enana blanca, con un

radio de pocos kilmetros y una densidad de

toneladas por centmetro cbico.

Las estrellas de neutrones tambin estn dentro

del lmite de Chandrasekhar, siendo para estas 3

masas solares, y se mantienen por la repulsin

de electrones. Su densidad es de millones de

toneladas por centmetro cbico, aqu se

incluyen los plsares, los cuales son estrellas de

neutrones en rotacin. En 1939, Robert

Oppenheimer describi lo que le sucedera a una

estrella si estuviera por fuera del lmite de

Chandrasekhar.

El campo gravitatorio de la estrella cambia los

rayos de luz en el espacio - tiempo, ya que los rayos de luz se inclinan ligeramente hacia dentro de la

superficie de la estrella. Cada vez se hace ms difcil que la luz escape, y la luz se muestra ms dbil y

31

roja para un observador. Cuando la estrella alcanza un radio crtico, el campo gravitatorio crece con

una intensidad que la luz ya no puede escapar. Esta regin es llamada hoy un agujero negro.

TAMAO DE LOS AGUJEROS NEGROS.

Si analizamos el tema del espacio que ocupa un

agujero negro debemos de considerar como

parmetro principal una variable matemtica

denominada el radio de Schwarszchild el cual es el

radio del horizonte de sucesos que comprende al

agujero negro (dentro de este radio la luz es

absorbida por la gravedad y cualquier cuerpo es

absorbido con una fuerza gravitatoria infinita hacia

el centro del agujero negro no pudiendo escapar

de ste). Ahora bien los cientficos han logrado

hallar una relacin directa entre la masa y el

espacio ocupado de un agujero negro, esto significa que si un agujero negro es diez veces ms pesado

que cualquier estrella ocupar tambin diez veces el espacio ocupado por esa estrella. Para darnos una

idea ms clara compararemos el tamao del sol con un agujero negro sper masivo, el sol posee un

radio de aproximadamente 434,96 millas mientras que el agujero negro sper masivo poseer un radio

de a lo ms cuatro veces ms grande que el del Sol.

MASA DE LOS AGUJEROS NEGROS.

Si analizamos la segunda propiedad debemos de considerar que hasta el momento lo que se sabe de la

masa que poseen los agujeros negros es que esta no tiene lmites conocidos (ningn mximo ni

mnimo). Pero si analizamos las evidencias actuales podemos considerar que dado que los agujeros

negros se forman a partir de la muerte de estrellas masivas debera de existir un lmite mximo del

peso de los agujeros negros que sera a lo mucho igual a la masa mxima de una estrella masiva. Dicha

masa lmite es igual a diez veces la masa del Sol (ms o menos 1x1031 kilogramos).

En los ltimos aos se ha encontrado evidencia de la existencia de agujeros negros en el centro de

galaxias masivas. Se cree a partir de esto que dichos agujeros negros poseeran "milln de veces la

masa del sol".

CLASIFICACION TEORICA

Segn su origen.

Agujeros negros primordiales:

32

Aquellos que fueron creados temprano en la historia del Universo. Sus masas pueden ser variadas y

ninguno ha sido observado.

En 1971, Stephen Hawkings teoriz que en la densa

turbulencia creada por el fenmeno conocido

como Big Bang, se formaron presiones externas las

cuales ayudaron en la formacin de los mini

agujeros negros. stos seran tan masivos como

una montaa, pero tan pequeos como un protn;

radiaran energa espontneamente, y despus de

miles de millones de aos finalizaran con una

violenta explosin.

Estos agujeros negros tendran una mayor

temperatura y emitiran radiacin a un ritmo

mucho mayor. Un agu-jero negro primitivo con una

masa inicial de mil millo-nes de toneladas tendra

una vida media aproximada-mente igual a la edad

del universo.

Los agujeros negros primitivos con masas iniciales menores que la anterior ya se habran evaporado

completamente, pero aquellos con masas ligeramente superiores an estaran emitien-do radiacin en

forma de rayos X y rayos gamma. Los rayos X y los rayos gamma son como las ondas lumi-nosas, pero

con una longitud de onda ms corta. Tales agujeros apenas merecen el apelativo de negros: son

realmente blancos incandescentes y emiten energa a un ritmo de unos diez mil megavatios.

Un agujero negro de esas caractersticas podra hacer funcionar diez grandes centrales elctricas, si

pudira-mos aprovechar su potencia. No obstante, esto sera bastante difcil: el agujero negro tendra

una masa como la de una montaa comprimida en menos de una billonsima de centmetro, el

tamao del ncleo de un tomo! Si se tuviera uno de estos agujeros negros en la superficie de la Tierra,

no habra forma de conseguir que no se hundiera en el suelo y llegara al centro de Tierra.

Segn la masa:

a) Agujeros negros de masa estelar o medianos:

Se forman cuando una estrella de masa 2,5 mayor que la

masa del Sol se convierte en supernova e implosiona.

Su ncleo se concentra en un volumen muy pequeo que

cada vez se va reduciendo ms.

33

Por otro lado, hay buena evidencia de que los agujeros negros medianos se forman como despojos de

estrellas masivas que colapsan al final de sus vidas.

b) Agujeros negros sper masivos:

Son el corazn de muchas galaxias. Se ha establecido que tiene una masa de 2.5 millones de veces la

del Sol.

Se forman en el mismo proceso que da origen a las componentes esfricas de las galaxias. Se cree que

en el centro de la mayora de las galaxias, entre ellas la Va Lctea, hay agujeros negros sper masivos.

Estos agujeros negros sper masivos tienen un horizonte de eventos ms o menos igual al tamao del

Sistema Solar. Otra de las implicaciones de un Agujero Negro sper masivo sera la probabilidad que

fuese capaz de generar su colapso completo, convirtindose en una singularidad desnuda de materia.

Segn el momento angular (modelos tericos):

Un agujero negro sin carga y sin momento angular es un agujero negro de Schwarzschild, mientras que

un agujero negro rotatorio (con momento angular mayor que 0), se denomina agujero negro de Kerr.

EL LIMITE CHANDRASEKHAR.

Para empezar, no todas las estrellas se pueden convertir en agujeros negros, para ello deben de

cumplir ciertos requisitos como por ejemplo el tamao, tiempo de vida, entre otras caractersticas.

Las estrellas se forman a partir de grandes

concentraciones de gas, principalmente hidrgeno,

por efectos gravitatorios los tomos que conforman

estos gases empezarn a colapsar unos contra otros

contrayndose y generando un calentamiento del gas,

el calor poco a poco se incrementar llegando a

generarse reacciones importantes entre los tomos

(transformacin de molculas de Hidrgeno en Helio

como explicamos anteriormente). Estas reacciones

provocan emanaciones de energa altsimas que le dan

a las estrellas la luminosidad caracterstica. Todo esto

ocurre hasta un momento en que los tomos llegan a

alcanzar un equilibrio a partir del cual dejan de contraerse. El Sol se encuentra en estos momentos en

este equilibrio, en el que no existe ningn tipo de contraccin por parte de sus componentes.

Ahora bien, durante el perodo de tiempo que toma el proceso de contraccin de los tomos la estrella

sigue acumulando ms gases y crece en tamao, este tamao fue estudiado por Subrahmanyan

34

Chandrasekhar, quien indic el tamao mximo que una estrella puede alcanzar antes de llegar a

consumir todo su combustible natural.

Chandrasekhar descubri el lmite al cual una

estrella puede crecer de manera que su masa

pueda llegar a ser tal que la estrella llegue al lmite

de soporte de su gravedad; lo cual nos ayuda a

entender que si la estrella es muy grande su

gravedad podra provocar que esta "se derrumbe

sobre s misma" (para entenderlo piensa en un

huevo cayendo a 400 metros de profundidad bajo

el mar, lo que sucedera es que el huevo se

rompera por efecto de la presin del agua la cual

se ejerce de manera perpendicular sobre la

superficie del huevo antes de caer al fondo del

mar).

Sucede entonces que Chandrasekhar calcul matemticamente que la masa crtica de una estrella sera

igual a 1,5 veces la masa del sol a sta masa se le denomina el lmite de Chandrasekhar, por debajo de

ste lmite encontramos a las enanas blancas y las estrellas de neutrones mientras que por encima de

ese lmite podramos encontrar a los agujeros negros (bueno no fue hasta 1939 que se logr explicar

que sucedera con una estrella con una masa mayor a la del lmite de Chandrasekhar), esa estrella

poseera un campo gravitatorio tan fuerte que los rayos de luz emanados de la estrella empiezan a

irradiarse hacia la superficie (como un boomerang), poco a poco los rayos de luz se inclinan con mayor

fuerza hacia la misma estrella de la cual emanan.

A lo lejos un observador contemplar como la estrella pierde luminosidad tornndose roja (un efecto

parecido a cuando las bateras de una lmpara se van acabando de a pocos), Cuando la estrella llegue a

alcanzar un radio crtico el campo gravitatorio crecer de manera exponencial llegando finalmente a

atrapar a la misma luz dentro de ella.

FORMACIN DE LOS AGUJEROS NEGROS.

Supongamos una estrella como el sol que va agotando su

combustible nuclear convirtiendo su hidrgeno a helio y

este a carbono, oxgeno y finalmente hierro llegando un

momento en que el calor producido por las reacciones

nucleares es poco para producir una dilatacin del sol y

35

compensar as a la fuerza de la gravedad. Entonces el sol se colapsa aumentando su densidad, siendo

frenado ese colapso nicamente por la repulsin entre las capas electrnicas de los tomos. Pero si la

masa del sol es lo suficientemente elevada se vencer esta repulsin (al sobrepasar el lmite de

Chandrasekhar) pudindose llegar a fusionarse los protones y electrones de todos los tomos,

formando neutrones y reducindose el volumen de la estrella no quedando ningn espacio entre los

ncleos de los tomos. El sol se convertira en una esfera de neutrones y por lo tanto tendra una

densidad elevadsima. Sera lo que se denomina "estrella de neutrones".

Naturalmente las estrellas de neutrones no se forman tan fcilmente, ya que al colapsarse la estrella la

energa gravitatoria se convierte en calor rpidamente provocando una gran explosin. Se formara

una nova o una supernova expulsando en la explosin gran parte de su material, con lo que la presin

gravitatoria disminuira y el colapso podra detenerse.

As se podra llegar a formar objetos de menos densidad que las estrellas de neutrones llamados

"enanas blancas" en las que la distancia entre los ncleos atmicos a disminuido de modo que los

electrones circulan libres por todo el material (es la llamada materia degenerada), y es la velocidad de

movimiento de estos lo que impide un colapso mayor. Por lo tanto la densidad es muy elevada pero sin

llegar a la de la estrella de neutrones. Estos electrones degenerados se repelen pero no por repulsin

electromagntica sino por porque al presionarlos se intenta que ocupen el mismo orbital ms

electrones de los que caben.

Es la presin de Fermi de los electrones degenerados que acta cuando las ondas asociadas a los

electrones comienzan a solaparse. Pero Chandrasekhar descubri que si la masa de la enana blanca

fuera superior a 1,44 masas solares, entonces debido al lmite mximo de velocidad de los electrones

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(la velocidad de la luz) esta presin de Fermi no sera suficiente y la estrella colapsara a una estrella de

neutrones.

DETECCIN DE LOS AGUJEROS NEGROS.

Un agujero negro no podramos observarlo fcilmente ya que no reflejaran ni emitiran ningn tipo de

radiacin ni de partcula. Pero hay ciertos efectos que s pueden ser detectados. Uno de estos efectos

es el efecto gravitatorio sobre una estrella vecina.

Supongamos un sistema binario de estrellas (dos estrellas muy cercanas girando la una alrededor de la

otra) en el cual una de las estrellas es visible y de la cual podemos

calcular su distancia a la Tierra y su masa. Esta estrella visible

realizar unos movimientos oscilatorios en el espacio debido a la

atraccin gravitatoria de la estrella invisible. A partir de estos

movimientos se puede calcular la masa de la estrella invisible.

Si esta estrella invisible supera una masa de unos 1'5 veces la masa

de nuestro sol, tendremos que suponer que se trata de un agujero

negro.

Adems si la estrella visible est lo suficientemente cerca, podra ir

cedindole parte de su masa que caera hacia el agujero negro

siendo acelerada a tal velocidad que alcanzara una temperatura tan

elevada como para emitir rayos X. Pero esto tambin sucedera si se tratara de una estrella de

neutrones en vez de un agujero negro.

Un ejemplo de objeto detectado que cumple las dos condiciones primeras expuestas es la estrella

binaria llamada Cignus-X1, que es una fuente

de rayos X muy intensa formada por una

estrella visible y una estrella invisible con una

masa calculada que supera los 2'5 masas

solares. A parte de esto tambin hay que tener

en cuenta que S. Hawking dedujo que un

agujero negro producira partculas

subatmicas en sus proximidades, perdiendo

masa e irradiando dichas partculas, lo cual

sera otro modo de deteccin.

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DESCUBRIMIENTOS RECIENTES.

En 1995 un equipo de investigadores de la UCLA dirigido por Andrea Ghez demostr mediante

simulacin por ordenadores la posibilidad de la existencia de agujeros negros sper masivos en el

ncleo de las galaxias, tras estos clculos mediante el sistema de ptica adaptable se verific que algo

deformaba los rayos de luz emitidos desde el centro de nuestra galaxia (la Va Lctea), tal deformacin

se debe a un invisible agujero negro sper masivo que ha sido denominado Sgr.A (o Sagittarius A), al

mismo se le supone una masa 4,5 millones de veces mayor que la del Sol. El agujero negro sper

masivo del centro de nuestra galaxia actualmente es poco activo ya que ha consumido gran parte de la

materia barinica que se encuentra en la zona de su inmediato campo gravitatorio y emite grandes

cantidades de radiacin.

La existencia de los agujeros negros depende de la teora de Einstein, aunque las evidencias son muy

slidas; si esa teora se mostrara incorrecta, debera reescribirse la cosmologa entera.

No todas las estrellas se pueden convertir en agujeros negros, Subrahmanyan Chandrasekhar, (indic

el tamao mximo que una estrella puede alcanzar antes de llegar a consumir todo su combustible

natural), calcul matemticamente que la masa crtica de una estrella sera igual a 1,5 veces la masa

del sol a sta masa se le denomina el lmite de Chandrasekhar.

Los agujeros negros se forman a partir de estrellas moribundas las cuales luego de un proceso natural

empiezan a acumular una enorme concentracin de masa en un radio mnimo de manera que la

velocidad de escape de esta estrella es mayor que la velocidad de la luz.

Despus de largas dcadas cientficos pensaban que los agujeros negros no podan emitir nada que

solo absorban y que nada escapaba de su horizontes de sucesos ahora despus de estas ultimas

investigaciones se sabe que estos agujeros emiten radiacin como todo cuerpo caliente y que su

radiacin desprenden rayos gammas y X que pueden ser detectados por dispositivos colocados fuera

de la atmsfera.

Si mantenemos abierto un agujero de gusano mediante el aporte de energa negativa (suponiendo que

tenemos los medios tcnicos necesarios que deber tener una sociedad sper avanzada en el futuro),

podemos construir una mquina del tiempo.

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Bibliografa

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Acelerador de particulas/puede traer consecuencias?post info, disponible en www.taringa.net.

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Que es un acelerador de partculas? Portal web, www.saberia.com

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