11

Higgs-Dependence Day:
la maleïda partícula de Déu

És molt agradable tenir raó de tant en tant.

PETER HIGGS

De: Francesc <francesc.desayunoconparticulas@gmail.com>

De: Sonia <sonia.desayunoconparticulas@gmail.com>

NASCUT EL 4 DE JULIOL

Són dos quarts de nou del matí, l’ordinador ja està connectat i preparat per enllaçar amb la difusió per web del CERN. La tetera a punt i uns entrepans per aguantar tot el matí sense haver de distreure’ns per res. Tot llest per al gran dia.

Sona el timbre de casa. En Francesc arriba puntual.

—He arribat a la conclusió —exclama abans que jo pugui dir res—, que m’estimo més córrer el risc d’encomanar-me amb els teus virus que deixar passar un dia històric davant dels nassos i no assabentar-me de res. Vinc amb la condició que m’expliquis detalladament tot el que passi avui.

—Tracte fet, amic meu! Pregunta tot el que vulguis.

—Et penediràs de l’oferiment… Per mi ja pots començar des del principi. Què és això del bosó de Higgs? Per què els físics perseguiu una partícula tan diminuta?

—Bé —dic, seient al sofà—, tu ho has volgut. Comencem pel començament… Una pregunta habitual de l’ésser humà, des dels inicis de les civilitzacions, ha estat: De què està fet, el cosmos? Què el manté unit?

—Certament —afegeix en Francesc—. Vaig llegir en un article que, a l’antiguitat, es pensava que la matèria estava composta per maons primordials de tipus diferents. El filòsof grec Empèdocles, al segle V aC, prenia com a elements fonamentals el foc, l’aire, l’aigua i la terra. En contraposició a aquestes idees, Demòcrit va plantejar la teoria de l’àtom: l’últim component indivisible de la matèria.

—Si m’ho permets, farem un salt de gegant en la història, aquest cop sense màquina del temps —continuo, mentre en Francesc mira de reüll les escales que pugen a l’estudi—. Traslladem-nos al 1897, l’any que Thomson descobreix l’electró. L’àtom no és l’últim element, ja que la nova partícula orbita al voltant d’un nucli.

—I segons el que m’has explicat, això només va ser el començament, perquè el nucli es compon de protons i neutrons, que per la seva banda estan compostos pels meus amics els quarks.

—Veig que aquesta part de la lliçó te la saps amb tots els ets i uts… Aquesta col·lecció de partícules, com et vam explicar durant la visita al CERN, està ben ordenada gràcies al Model Estàndard. Aquest model ens explica com estan formades la matèria i les forces que hi ha a l’univers.

—Totes menys la de la gravetat.

—Exacte! I tampoc pot respondre a una pregunta que ens podria semblar fonamental: per què algunes partícules tenen massa, com l’electró, i d’altres, com el fotó, no en tenen? —En Francesc em mira amb cara d’estupor—. Doncs el bosó de Higgs apunta precisament en aquesta direcció.

El so procedent de l’ordinador ens interromp. Ha començat la retransmissió. Són les nou menys deu del matí. Veiem com el professor Higgs entra a l’auditori del CERN.

—La sala és plena de gom a gom —comenta en Francesc—. Quanta gent deu haver quedat fora? Amb la gentada que deu seguir la conferència, haurien d’haver llogat l’estadi de Ginebra…

—L’auditori és molt petit —coincideixo amb ell—, cosa que demostra que als anys cinquanta la família de físics de partícules era força reduïda… Avui està gairebé tot ocupat per periodistes. La resta de científics i molts dels meus amics del CERN segueixen la conferència a través del web, com nosaltres.

—És irònic que el web s’inventés precisament al CERN. Creus que Tim Berners-Lee hauria arribat a imaginar aquest moment?

El director general del CERN, Rolf Heuer, pren la paraula per obrir oficialment l’acte amb una introducció breu. De seguida cedeix el torn a Joseph Incandela, el portaveu de l’experiment CMS, que comença a deixar anar un munt de dades i paraules tècniques.

EL SECRET ÉS LA MASSA

En Francesc, al meu costat, s’agita inquiet al sofà. No em vol interrompre, però sé que no aguantarà molt abans d’adormir-se, i jo vull que aquest dia també sigui especial per a ell, per molt que sigui de lletres.

—T’importa que aprofiti la primera part de la presentació, que serà molt tècnica, per prosseguir amb la història del bosó de Higgs?

—Si us plau! —respon, alleujat—. Ens havíem quedat en allò que semblava un eslògan de Telepizza: el secret és la massa.

—Sí, senyor. El Model Estàndard de partícules no explica per què algunes partícules, com el fotó, no tenen massa i d’altres, com els quarks, sí que en tenen. Als anys seixanta, un grup de físics, entre ells Peter Higgs, van postular l’existència d’un mecanisme que seria l’encarregat d’atorgar la propietat a la massa.

—Com si fos una mena de repartidor de quilos —diu el meu amic. Jo assenteixo amb el cap.

—De la mateixa manera que existeix un camp electromagnètic que afecta les partícules, també parlem del camp de Higgs que els atorga la propietat de massa.

—Tornes a dir coses estranyes.

—A veure, posem una analogia ben fresca, ara que arriba la calor de l’estiu. Imagina que aquest camp de Higgs és una petita piscina, d’aquestes on no t’enfonses del tot. Alguna vegada has intentat travessar-la corrent?

El meu amic fa que sí amb el cap i jo continuo l’explicació.

—Costa molt travessar-la, molt més que si ho fas nedant a crol, oi? Podríem dir que és com si «pesessis» molt més. Doncs les partícules reaccionen d’una manera semblant a aquest camp de Higgs.

—O sigui que el fotó passa nedant com si fos un peixet i l’electró travessa feixugament i dempeus aquesta piscina de Higgs… Però, Sonia, tu parles tota l’estona del camp de Higgs, però jo sempre he sentit parlar del bosó de Higgs, no del seu camp.

—Quan parlem d’una manera «poc precisa», diem que el bosó de Higgs és el responsable que les partícules tinguin massa, però si volem ser rigorosos, no és aquest bosó el que els atorga la massa, sinó el camp.

—I per què no parlem sempre d’aquest camp, si és el que realment és important?

—Perquè el bosó de Higgs és el que podem detectar en acceleradors de partícules com l’LHC. El camp de Higgs es pot comparar amb l’aire. Aquesta habitació és plena d’aire, de la mateixa manera que el camp de Higgs és a tot arreu. Però fins que no obro aquesta finestra i genero una petita brisa, no sóc conscient de la seva existència.

—D’acord, però ara tanca-la, o el teu refredat es convertirà en faringitis…

Segueixo la recomanació del meu amic i continuo l’explicació.

—Seguint amb la metàfora de l’aire, si ajunto els palmells amb rapidesa —dic mentre pico de mans—, provoco una petita pertorbació en l’aire. Aquesta pertorbació no és altra cosa que ones, que arriben en forma de so a la teva oïda, i és allà on aquest so és detectat. Recorda que, en física quàntica, les ones també són partícules.

—Et segueixo.

—El que experimenten a l’LHC és una cosa semblant al que acabo de fer amb l’aire: acceleren protons en direccions oposades i a velocitats properes a la de la llum. Les fan col·lidir igual que jo he picat de mans. Amb aquestes col·lisions pertorben el camp de Higgs i creen aquestes partícules anomenades bosons de Higgs, que són precisament les que nosaltres podem detectar. Són la prova de l’existència d’aquest camp.

En aquest moment ens interromp el vídeo que s’està projectant a l’ordinador. El públic de l’auditori del CERN aplaudeix amb entusiasme. Incandela ha presentat els seus resultats: hi ha evidències d’una partícula de massa propera a 125 GeV/c² que decau en dos fotons, evidències d’una partícula de massa similar que decau en dues parelles de leptons-antileptons. Els aplaudiments es generalitzen quan Incandela mostra la dada següent: cinc sigmes.

Encomanada per l’entusiasme que es genera al llunyà auditori del CERN, m’aixeco del sofà i m’afegeixo als aplaudiments.

—Em sento com si estigués veient un partit del Mundial i no sabés quan marquen un gol —confessa en Francesc, que m’observa astorat—. La traducció, si us plau!

—Detectar aquest bosó no és fàcil. Quan fem col·lidir els feixos de protons no sempre obtenim el bosó de Higgs. És com si féssim xocar dues síndries, l’una contra l’altra, i necessitéssim que les llavors minúscules que hi ha dintre col·lidissin a la perfecció.

—Reconec que seria difícil.

—Per desgràcia, el bosó de Higgs no es pot observar directament. No és tan senzill com dir: mira’l, es allà! Aquest bosó és molt inestable, és a dir, es desintegra molt ràpidament i es transforma en altres partícules. Per exemple, el bosó de Higgs es pot desintegrar en dos fotons d’alta energia. Doncs són precisament aquestes partícules resultants les que han detectat els científics del CMS. Per això Incandela parla tota l’estona de fotons i parelles de leptons-antileptons. Amb aquestes partícules on Higgs es desintegra, els científics fan una tasca a l’estil de Sherlock Holmes. De la mateixa manera que el detectiu i el seu ajudant reconstrueixen el que ha passat a l’escenari del crim gràcies a les empremtes i les pistes que deixen els lladres esquius, els físics reconstrueixen el que ha succeït a partir de milions i milions de col·lisions, partícules diverses i dades diferents.

—Elemental, estimat Watson.

HIGGSTÈRIA

Tornem a parar atenció a l’ordinador. És el torn de Fabiola Gianotti, portaveu de l’experiment ATLAS. Igual que el seu col·lega, comença presentant detalls tècnics incomprensibles per al meu company.

Mentrestant, la Fabiola continua amb la presentació dels resultats d’ATLAS. Per curiositat, en Francesc decideix seguir els comentaris que s’estan publicant a Twitter amb el hashtag #Higgs, que s’ha col·locat com a trending topic del dia. L’anècdota curiosa és que #comicsans es posiciona ràpidament en les primeres posicions de Twitter.

—Mira, Sonia, tota aquesta gent està pendent del tipus de lletra que fa servir Gianotti a la presentació. Sembla que Comic Sans no és la lletra més seriosa que es pot fer servir en un Power Point. Mira el que diu aquesta piulada —afegeix, aguantant-se el riure—: «Cada vegada que fas servir Comic Sans en un Power Point, Déu mata el gat de Schrödinger. Si us plau, penseu en el gat». Imagino que molts d’aquests són incapaços de seguir el contingut, i es distreuen com poden.

—Justa la fusta —ric—. Tampoc ho trobo tan terrible. Comic Sans és una lletra pensada per als nens, i és molt fàcil de llegir.

—Sí, però has de reconèixer que es fa una mica estrany llegir «la màxima desviació del fons dels decaïments a quatre leptons» en una tipologia de lletra dissenyada originalment per als nens petits.

Ens tornem a concentrar en les paraules de la Fabiola. ATLAS ha trobat mostres d’una nova partícula de massa propera als 125 GeV/c², que decau en dos fotons i quatre leptons. A l’auditori no se sent ni una mosca, tots estan pendents de les paraules de la Fabiola: de manera independent, ATLAS i CMS han descobert una nova partícula compatible amb el bosó de Higgs.

Durant uns instants regna el silenci, i jo aguanto la respiració, conscient del que acaba d’anunciar la representant d’ATLAS. En Francesc, al meu costat, em mira a mi i després a l’ordinador, per provar d’interpretar el que està passant.

La Fabiola dirigeix la mirada a Rolf Heuer, el director del CERN, que es troba dret al seu costat. Al cap d’un instant, Heuer afirma amb un to que és informal i jovial a la vegada: «Em sembla que ho hem aconseguit».

Eufòria generalitzada.

L’auditori esclata en una barreja d’alegria, aplaudiments i fins i tot llàgrimes d’emoció per part d’alguns assistents. A casa, jo salto sobre el sofà, aplaudeixo fins que les mans em fan mal, mentre en Francesc, encomanat per l’entusiasme del moment, crida «GOOOOOL!» i alça els braços enlaire.

No puc evitar emocionar-me, com han fet alguns dels espectadors de l’auditori. Pensar que fa deu anys jo treballava perquè aquest projecte tirés endavant m’omple de joia, per bé que la meva contribució és tan petita com la partícula diminuta que s’acaba de descobrir.

—Enhorabona per la part que et toca —diu en Francesc, orgullós.

—Amic meu, acabem d’assistir a una fita històrica. Com t’explicava abans, s’ha pogut determinar que el bosó existeix, gràcies a les anàlisis estadístiques dels milions de dades que s’obtenen amb aquestes col·lisions. La quantitat de sigmes ens diu si aquests resultats surten per casualitat o si realment hi ha un bosó. Cinc sigmes significa que en podem estar segurs en un 99,9999%.

—Doncs sí que sou rigorosos, els físics.

—És clar. Fixa’t en el que diu el director del CERN a la roda de premsa: «Com a persona, sí que li puc dir que tenim el bosó de Higgs. Com a científic, només puc dir que l’és amb una probabilitat alta». Aquesta és la precisió de la ciència.

El director del CERN explica als periodistes que ara és el moment de comprovar si el bosó de Higgs que s’ha trobat és realment el que prediu el Model Estàndard o si és un bosó de Higgs més exòtic.

—Què vol dir amb això, Sonia?

—De moment sabem que el que hem trobat, amb una gran probabilitat, és el bosó de Higgs. Però no sabem si es comportarà exactament com prediu la teoria. És com si veiessis de lluny un amic de la infància. El reconeixes, però et cal apropar-t’hi per verificar si és ell i no un cosí o un germà que se li assembla.

—És un dia històric, com bé dius. Però… i ara què? Vull dir que l’objectiu del gegantí LHC era trobar el bosó de Higgs, i ja no hi haurà més sorpreses en aquest gran accelerador.

—Què dius, home! Aquest era només un dels objectius de l’LHC. És veritat que era el més esperat, però encara queden moltes preguntes a què pot respondre aquest gran accelerador de partícules. Però si et sembla bé, ho deixarem per a més endavant, perquè ara cal anar a dinar per celebrar-ho.

—Genial!

«THE CERN FILES»: LES 4 GRANS PREGUNTES QUE EL CERN INTENTA RESPONDRE

Com es comporta un antiunivers?

Tot allò que veiem al nostre voltant està format pel que anomenem matèria, que està composta per partícules. Ara sabem que en el nostre univers també existeix l’antimatèria, formada per antipartícules. Cada partícula de matèria té el seu equivalent en antipartícula. És una versió bessona de la partícula: amb la mateixa massa però amb la carrega oposada.

Quan una partícula neix o es crea, també ho fa la seva antipartícula, de manera que quan es va iniciar el nostre univers devia haver-hi una quantitat equivalent de matèria i antimatèria. Sabem que quan una partícula entra en contacte amb la seva antipartícula totes dues s’aniquilen entre si, i alliberen una gran quantitat d’energia en forma de radiació. Vaja, que si un dia us trobeu el vostre antijo, és millor que no li doneu la mà…

La pregunta és: si matèria i antimatèria s’aniquilen en entrar en contacte, no s’hauria d’haver destruït tot, després del Big Bang? Com és possible que una porció de matèria aconseguís sobreviure i crear l’univers que avui coneixem? La naturalesa té un favoritisme envers la matèria?

Els experiments que es duen a terme a l’LHC, en particular l’LCHb, indaguen el motiu pel qual la matèria «va guanyar» la partida a l’antimatèria, i estudien les diferències fonamentals entre totes dues.

Es comporten d’una manera diferent? Interaccionen distintament amb les forces que coneixem? Podria, l’antimatèria, pujar cap al cel a causa de la força de la gravetat, en comptes de caure cap al terra?

L’antimatèria va ser proposada per primera vegada per Paul Dirac l’any 1928, quan va combinar equacions de la relativitat especial i la física quàntica amb l’objectiu de descriure el moviment de l’electró al voltant del nucli atòmic.

La seva equació va plantejar una solució sorprenent: hi devia haver un antielectró (o positró) per a cada electró, que tindria la mateixa massa però càrrega oposada. Dirac va assumir aleshores l’existència d’una antipartícula per a cada partícula, idea que el va dur a especular, en el discurs d’acceptació del premi Nobel, sobre l’existència d’un antimón, igual que el nostre però format per antimatèria.

Pocs anys més tard, el 1932, C.D. Anderson va detectar el positró gràcies al seu estudi sobre rajos còsmics. A partir d’aquest moment es va iniciar la recerca, amb gran èxit, de tota mena d’antipartícules. Però el gran pas, el que ens va portar de les antipartícules a l’antimatèria, el va fer el CERN l’any 1995, quan va crear els primers àtoms d’antimatèria.

Gairebé mig segle després d’aquesta demostració teòrica, la producció d’antimatèria continua sent difícil i molt costosa. De fet, es tracta sens dubte de la substància més cara del món: generar un mil·ligram d’antimatèria costa aproximadament 60.000 milions de dòlars.

Al CERN, a part de l’accelerador de partícules LHC, també hi ha altres projectes d’investigació, com ara l’ALPHA. Aquest projecte va aconseguir l’any 2012 produir i retenir 300 àtoms d’antihidrògen durant 16 minuts. Potser no sembla gaire, però 1.000 segons és una eternitat en el món dels àtoms. Retenir antimatèria durant tant de temps permetrà, en un futur proper, experimentar-hi i aconseguir comprendre com es comporta.

A part de la possibilitat d’entendre l’origen de l’univers, l’antimatèria es pot utilitzar de forma molt beneficiosa, per exemple per destruir teixits cancerosos d’una manera efectiva.

Com a combustible, alguns teòrics han estimat que només caldrien 10 mil·ligrams d’antimatèria per portar una nau a Mart. No obstant això, ens enfrontem a un gran repte pel que fa a l’eficiència: costa més energia generar aquests 10 mil·ligrams d’antimatèria que la que ens oferiria per poder arribar a Mart. Per bé o per mal, encara estem molt lluny d’obtenir una quantitat semblant i desenvolupar una tecnologia que ens permeti aprofitar-ne els avantatges.

Com era la «sopa» primordial del Big Bang?

L’observació dels astres ens permet veure com era l’univers 400.000 anys després del Big Bang, però ens costa molt retrocedir a aquest moment inicial del qual parla el llibre de Steven Weinberg. Aquesta és justament la finalitat del col·lisionador d’hadrons LHC: reproduir a petita escala el que va succeir en aquell inici, conèixer els secrets del Big Bang.

Els teòrics pensen que al principi es va crear un còctel de quarks, les partícules elementals de la matèria. En l’univers que coneixem, els quarks estan confinats, gràcies als gluons, dintre dels protons i neutrons que formen els nuclis dels àtoms. Tanmateix, en el Big Bang, a causa de la temperatura altíssima, els gluons que mantenien unides aquestes partícules no estaven confinats als protons i neutrons. En la «sopa primordial», extremament calenta i densa, els quarks i els gluons eren partícules lliures. No hi havia àtoms, ni estrelles, ni vida, ni civilització. Tan sols una immensa bola de foc.

En l’accelerador de partícules, l’experiment ALICE (sigles de A Large Ion Collider Experiment) recrea l’anomenat plasma de quarks i gluons per comprendre com passem del CAOS d’aquesta sopa primordial al COSMOS que avui en dia comencem a conèixer. Una transformació de la qual no solament som testimonis, sinó també el fruit.

Hi ha altres dimensions?

En la nostra vida quotidiana identifiquem amb facilitat les tres dimensions espacials: alçada, amplada i llargada (per exemple, quan provem de fer entrar la maleta com a equipatge de mà a la cabina d’un avió). A aquestes tres dimensions, Einstein hi va afegir una quarta que també ens resulta familiar: el temps. Però algunes teories posteriors plantegen l’existència d’altres dimensions suplementàries de l’espai.

La teoria de les cordes i supercordes, com si es tractés d’una simfonia còsmica, defensa que totes les partícules estan formades per fils d’energia anomenats cordes. De la mateixa manera que quan toquem un violí podem generar notes diferents, la manera en què s’organitzen aquestes cordes donarà com a resultat les diferents partícules.

Aquesta teoria és una de les candidates a unificar totes les forces de la naturalesa. Així es compliria el somni d’una teoria única, la quimera de la ciència. Però per tal que aquesta teoria sigui vàlida, hem d’assumir que podem conviure en una realitat d’onze dimensions, segons els càlculs matemàtics, i universos paral·lels molt propers.

En els detectors de partícules del CERN es buscaran signes d’aquestes dimensions extres.

Què és la matèria fosca?

Tot allò que veiem a l’univers, des d’una partícula de pols fins a una galàxia, es compon de partícules de matèria que, segons els càlculs derivats de la velocitat d’expansió de l’univers, només forma el 4% del cosmos. I aquest és precisament el problema: què és el 96% restant?

Es tractaria d’allò que hom denomina matèria fosca (en un 21%) i de l’energia fosca consegüent (en un 75%). Però, per bé que la seva existència està demostrada (altrament no sortirien els números), resulta molt difícil de detectar.

La hipòtesi la va plantejar Fritz Zwicky l’any 1933, quan va observar que la velocitat a la qual s’expandeix el nostre univers és molt superior a la que hauria de ser amb la massa coneguda. Si el nostre model cosmològic és encertat, aquesta matèria i aquesta energia fosques han d’existir.

Tot i que estem avançant a passes de gegant en la comprensió del cosmos, hem de reconèixer amb humilitat que hi ha moltes coses que ignorem del tot, com aquest 96% que fa anar els científics de bòlit.

Desconeixem de què està formada la matèria fosca, ja que no la podem veure ni detectar, atès que no interacciona amb cap de les forces conegudes. D’altra banda, l’energia fosca existiria simplement en l’espai buit.

Els detectors ATLAS i CMS, tots dos situats a l’LHC, esperen poder trobar algun dia la composició d’aquesta matèria fosca que ara desconeixem.