La importancia de un solo fotón (el más energético observado en una fuente de rayos gamma) en las violaciones de la relatividad especial

Los científicos de la colaboración GBM/LAT del observatorio espacial de rayos gamma Fermi (GLAST) han observado un fotón, solo un fotón, de 31 GeV, de la fuente intensa de rayos gamma (cortos) GRB 090510. Más energético de lo esperado interpretan su observación como que la escala de masas para una teoría cuántica de la gravedad es al menos 102 veces mayor que la escala de Planck. ¡Increíble! Concluir tanto de tan poco. Su observación limita las posibles violaciones de la relatividad especial (posibles dependencias lineales de la velocidad de propagación del fotón con respecto a su energía). Por supuesto, puede que exista una interpretación menos exótica, ya que sabemos muy poco de la física de las fuentes intensas de rayos gamma cortos. Pero hay que buscar los titulares y estos científicos no han querido desaprovechar su oportunidad. La ciencia de las grandes colaboraciones muchas veces está guiada por la búsqueda de los titulares, sobre todo si como es el caso quieren publicar en Nature. El artículo técnico es Abdo et al. (Fermi GBM/LAT Collaborations), “Testing Einstein’s special relativity with Fermi’s short hard gamma-ray burst GRB090510,” ArXiv, Submitted on 13 Aug 2009 (merece la pena leer la información suplementaria). Visto en el blog de Bee (Sabine Hossenfelder) “That Photon from GRB090510,” BackReaction, August 16, 2009. Por cierto, muy interesante su artículo con Lee Smolin “Conservative solutions to the black hole information problem,” ArXiv, 20 Jan 2009.

Un solo fotón detectado el 10 de mayo de 2009 a la hora universal 00:22:59.97 UT por el Gamma-ray Burst Monitor (GBM) y el Large Area Telescope (LAT) ambos a bordo del telescopio espacial Fermi (acompañado de otros cientos de fotones de energía inferior detectados en Fermi y miles de ellos detectados en otros observatorios terrestres). Un fotón de 31 GeV es el fotón con mayor energía detectado nunca de una fuente de rayos gamma (GRB). Comparando el momento en que fue detectado con el momento en que se detectaron los demás fotones de energía mucho menor se puede limitar el cociente entre la masa (energía) a la que deja de ser válida la relatividad especial (M_QG) y la masa (energía) de Planck (M_P) resultando en M_QG/M_P > 102 (el mejor valor hasta ahora era M_QG/M_P>0.1). Un resultado espectacular si tenemos en cuenta que todas las teorías apuntan a que M_QG ≤ M_P. Una de las consecuencias de substituir la teoría de la gravedad de Einstein por una teoría cuántica de la gravedad (sea la que sea) es que se viola la relatividad especial de Einstein (al menos a la escala de Planck) luego los fotones deben tener una velocidad que depende de su energía (en la mayoría de las alternativas teóricas).

¿Realmente ha sido bien interpretado el fotón observado? Un fotón, es eso, un fotón y puede provenir de GRB 090510 (como proclaman los autores) o quizás de otra fuente cercana angularmente o tras sufrir algún fenómeno de refracción. Además, según algunos autores, como la propia Bee (S. Hossenfelder, “Multi-Particle States in Deformed Special Relativity,” Phys. Rev. D 75:105005, 2007; ArXiv, 2 Feb 2007) podría ocurrir que la dependencia con la energía de la velocidad de los fotones debida a efectos gravitatorios cuánticos no sea lineal, sino cuadrática, o que incluso depende de la densidad de la energía y no del valor absoluto de la energía. Por ejemplo, el resultado experimental observado no descarta una dependencia cuadrática con la energía compatible con M_QG ≤ M_P (aunque los autores del artículo lo omiten explícitamente).

Lo dicho, si las grandes revistas como Nature buscan el índice de impacto en los titulares espectaculares, las grandes colaboraciones científicas tienden a ofrecer grandes titulares y resultados espectaculares para los mass media. Pero nunca hay que olvidar las interpretaciones alternativas (normalmente omitidas, por razones obvias, en estos artículos).

PS (19 agosto 2009): Una manera de interpretar el resultado observado es que la Teoría de Supercuerdas (SST) vence a la Gravedad Cuántica de Bucles (LQG), ya que esta última asume violaciones de la relavitidad especial a la escala de Planck (como que fotones de diferente frecuencia, color, se propagan a velocidad diferente). Argumentos al respecto aparecen en “Fermi kills all Lorentz-violating theories,” The Reference Frame, 17 August 2009, aunque los comentarios de Lubos, como siempre, son más exagerados y radicales de la cuenta. Por cierto, aparece un vídeo de youtube de la serie The Big Bang Theory que discute SST vs LQG (en inglés, muy gracioso).

PS (16 sep. 2009): ¿Cómo interpretan los teóricos de cuerdas estos hechos? Nos lo cuenta Nick E. Mavromatos en “Probing Lorentz Violating (Stringy) Quantum Space-Time Foam,” ArXiv, Submitted on 12 Sep 2009, quien asegura que no es difícil explicar las observaciones del telescopio de rayos gamma FERMI del fotón observado en GRB 090510 utilizando teoría de cuerdas y modelos basados en branas.

PS (28 octubre 2009): El artículo ha sido finalmente aceptado para publicación en la prestigiosa Nature: A. A. Abdo et al. “A limit on the variation of the speed of light arising from quantum gravity effects,” Nature, Advance online publication, October 28, 2009. Los revisores del artículo han hecho un buen trabajo y han suavizado mucho la magnitud reportada para el valor M_QG/M_P  observado, reduciéndolo a un razonable M_QG/M_P > 1.2. Los resultados experimentales difícilmente pueden asegurar cuándo fue emitido el fotón, con lo que cualquier valor mayor está sujeto a una gran incertidumbre. Reducir el valor de 102 a 1.2 es una gran reducción. Pero la publicación en Nature así lo ha requerido. Nos lo han contado en muchos medios, como en Symmetry Breaking ”Gamma-ray burst restricts ways to beat Einstein’s relativity,” y en BackReaction “The Photon and its Cousins.”

Increíble vídeo de un meteorito de magnitud -10 en las Perseidas la semana pasada

Espectacular foto de un meteorito (el punto brillante es Júpiter) extraída de un vídeo espectacular (enlace directo al vídeo) que nos ofrece Tommaso Dorigo en “Video Clip of a Wow Fireball,” August 16th 2009. Merece la pena verlo, adelante haz click en el enlace y disfruta, aunque no sepas inglés. El vídeo ha sido obtenido por Ivaldo Cervini, en el norte de Italia, hace pocos días. Ivaldo es el autor de la web Astropix.it (de donde he extraído la foto y donde también podéis encontrar el vídeo, para quien no quiera enlazar a Tommaso e ir al autor original). Un meteorito con una magnitud máxima aproximada de -10 (casi tan brillante como la luna llena, unos -12.5, no es espectacular, es superespectacular). El puntituo brillante es Júpiter con una magnitud de -2.8. Hubiera sido increíble si lo hubiera visto en directo, pero no fue así. Afortunadamente, las webcam automáticas de Ivaldo estuvieron al tanto de la jugada.

Para los astrofotógrafos aficionados, Tommaso nos da los detalles técnicos de la cámara utilizada y la posición celeste en la que se observó este espectacular fenómeno astronómico.

Lo dicho, habrá que comprarle una webcam al LIDLscopico y acostumbrarse a que él vea lo que uno no puede ver.

No es el reloj más preciso del mundo, pero casi y es mucho más fácil de fabricar (usa átomos de yterbio en una red óptica)

Un segundo son 9.192.631.770 resonancias de un átomo de cesio (definido en 1967). Hoy en día se podría definir de forma aún más precisa. N.D. Lemke et al. han obtenido un reloj óptico basado en átomos de yterbio (de espín 1/2) confinados en una red óptica con una frecuencia de  518.295.836.590.865,2 (0,7) Hz. ¿Cuándo cambiará el segundo estándar y será redefinido en función de los nuevos avances? Nadie lo sabe aún, pero las opiniones que claman por un segundo más preciso (mejor definido) cada día son mayores, más aún cuando desde el propio NIST ya han desarrollado muchas tecnologías que superan al estándar. El artículo técnico es N. D. Lemke et al. “Spin-1/2 Optical Lattice Clock,” Phys. Rev. Lett. 103: 063001, 2009, ArXiv preprint, 5 Jun 2009, y ha sido comentado en varios lugares como Sonja Grondalski, “Atoms in a lattice keep time,” Physics, August 2009.

Los avances en relojes basados en yterbio parecen indicar que la nueva definición estándar del segundo estará basada en dicho elemento en lugar de en cesio, como hasta ahora. Desde 2001, prácticamente cada dos años se proclama un nuevo reloj récord, el más preciso del mundo, y casi todos se basan en yterbio. Así nos lo cuentan por ejemplo en “Ytterbium Gains Ground In Quest For Next-generation Atomic Clocks,” ScienceDaily, Aug. 12, 2009, y en “Experimental Atomic Clock Uses Ytterbium ‘Pancakes’,” NIST Tech Beat, March 6, 2998.

¿Para qué queremos relojes cada vez más precisos? Muchas tecnologías como el GPS (Global Positioning System) o las telecomunicaciones a gran ancho de banda con multiplexado en frecuencia requieren relojes extremadamente precisos. Los relojes basados en tecnología óptica (como el publicado en PRL) son mucho mejores para estas aplicaciones que los relojes atómicos. Por otro lado, estos relojes ultraprecisos pueden tener aplicaciones básicas como el desarrollo de mejores sensores para la gravedad y la exploración de recursos naturales subterráneos mediante sismografía 3D, entre otras.

No sabemos lo que “es” el tiempo, pero creemos que sabemos medirlo. Desde un punto de vista práctico, el tiempo es lo que miden los relojes, los dispositivos experimentales que miden el tiempo. ¿Quién fue primero el huevo o la gallina, perdón, el tiempo o el reloj? En gravedad cuántica esta cuestión es mucho más importante de lo que parece, aunque todavía no tiene respuesta. Por cierto, para las mentes inquietas, en gravedad cuántica la opinión más generalizada es que el tiempo no existe ya que no se sabe cómo construir relojes a la escala de Planck que lo midan. El tiempo emerge de forma efectiva, como lo hace el concepto de temperatura en termodinámica. ¿Quién entenderá el tiempo “oculto” en las ecuaciones de Wheeler-de Witt, la ecuación de Schrödinger para el universo en su conjunto, que no presenta al tiempo de forma explícita? Muchas preguntas, mientras el tiempo pasa, inexorable, sin pausa.

“Tiempo sin tiempo,” Mario Benedetti

Preciso tiempo necesito ese tiempo
que otros dejan abandonado
porque les sobra o ya no saben
que hacer con él
tiempo
en blanco
en rojo
en verde
hasta en castaño oscuro
no me importa el color
cándido tiempo
que yo no puedo abrir
y cerrar
como una puerta

tiempo para mirar un árbol un farol
para andar por el filo del descanso
para pensar qué bien hoy es invierno
para morir un poco
y nacer enseguida
y para darme cuenta
y para darme cuerda
preciso tiempo el necesario para
chapotear unas horas en la vida
y para investigar por qué estoy triste
y acostumbrarme a mi esqueleto antiguo

tiempo para esconderme
en el canto de un gallo
y para reaparecer
en un relincho
y para estar al día
para estar a la noche
tiempo sin recato y sin reloj

vale decir preciso
o sea necesito
digamos me hace falta
tiempo sin tiempo.

La supergravedad N=8 y una nueva revolución en la física teórica

Las revoluciones científicas no se anuncian y a veces es muy difícil verlas cuando uno está metido dentro de una. En los últimos 25 años, la opinión general es que era imposible construir una teoría cuántica de la gravedad perturbativa similar a una teoría cuántica de campos con partículas elementales puntuales como en el resto del Modelo Estándar. Hoy la evidencia clama a gritos que la supergravedad N=8 en 4D es esa teoría. Por supuesto, es una teoría que no puede modelar el universo que observamos (como la fuerza electrodébil), es necesario introducir una ruptura de la simetría (todavía nadie sabe cómo hacerlo) que rompa las supersimetrías de la supergravedad, válidas sólo a alta energía, y produzca una teoría efectiva equivalente al Modelo Estándar y la Relatividad de Einstein. Miles de investigadores trabajan en teoría de cuerdas, cientos en gravedad cuántica de bucles, y sólo decenas en supergravedad. Sin embargo, todos conocen en detalle la supersimetría y pueden trabajar en supergravedad con facilidad. Este año y el próximo prometen una revolución completa a nuestra manera de buscar una gravedad cuántica. En mi opinión de inexperto, algo grande se está cociendo en la física teórica. 

El mejor candidato a principios de los 1980 como teoría cuántica de la gravedad era la supergravedad (SUGRA), una versión supersimétrica de la teoría de la gravedad de Einstein, que utiliza el concepto de superespacio en lugar del espaciotiempo usual, añadiendo variables fermiónicas a las usuales (bosónicas). Las teorías de supergravedad se caracterizan por el número N de supersimetrías (reales) que introducen, que es igual al número de gravitinos (partículas con espín 3/2, compañeras supersimétricas del gravitón, de espín 2). Técnicamente, N es el número de variables “fermiónicas” cuyo cuadrado produce el generador de las traslaciones en el tiempo siendo las traslaciones en espacio producidas por variables “bosónicas” (recuerda que el tiempo y el espacio en relatividad tienen signos contrarios en la métrica). La ausencia de partículas con espín mayor que 2 limita este número entre N=1 y N=8 (en 4D o 3+1 dimensiones). Se sabía que la supergravedad es (perturbativamente) finita hasta segundo orden, pero se pensaba que no lo era más allá. Los éxitos iniciales en la teoría de supercuerdas (1983/1984) se cargaron las esperanzas en la supergravedad (los mejores cerebros se unieron al “cuarteto de la cuerda” y la abandonaron).

La supergravedad por la que todo el mundo apostaba era la N=1, nadie daba un euro por la N=8. El año pasado se descubrió que la supergravedad N=8 en 4D es finita hasta tercer orden de perturbaciones y este año se ha demostrado que lo es hasta cuarto orden. Nadie apostaba por ello. Había hasta teoremas matemáticos que afirmaban que era imposible, las divergencias en supergravedad eran un “caballo salvaje” imposible de domar. Pero el tesón de unos pocos lo ha logrado domar. ¿Será la supergravedad finita a todos los órdenes? Los teoremas en contra siguen estando ahí. El trabajo de los nuevos domadores es tan espectacular que muchos jóvenes investigadores quieren también aprender a domar estas divergencias. En mi opinión, asistiremos a gran número de sorpresas en los próximos meses. La supergravedad N=8 es un gran candidato a teoría cuántica de la gravedad.

Las teorías de campos gauge o Yang-Mills (sin ruptura de simetría) no pueden modelar el mundo que conocemos porque modelan partículas sin masa. Lo mismo le pasa a la supergravedad N=8, por lo que tampoco puede ser un modelo realista del universo a baja energía. ¿Cómo se arregla este problema en el Modelo Estándar? Gracias al mecanismo de ruptura de la simetría (que produce el bosón de Higgs, aún por descubrir). Dicho mecanismo también tendrá que ser aplicado en supergravedad. El espectro de partículas de la supergravedad N=8 está constituido por 1 gravitón (bosón con spín 2), 8 gravitinos (partículas con espín 3/2), 28 bosones vectoriales (espín 1), 56 fermiones (espín 1/2) y 70 bosones escalares. Algunos de estos bosones escalares podrían ser Higgs que modelaran el mecanismo concreto de ruptura de las 8 supersimetrías de la supergravedad N=8.

¿Para qué queremos una teoría que no puede describir el universo? Pues porque las teorías con N<8, que se conocen mejor, sí pueden hacerlo (son modelos finitos solamente a primer y segundo orden perturbativo, presentando divergencias a tercer orden incontrolables). Un mecanismo de ruptura de la supersimetría de N=8 que pasará por ellas (siguiendo un camino que evite sus divergencias) nos llevaría directamente al Modelo Estándar y la gravedad clásica de Einstein.

¿Cómo se ha demostrado que es finita la supergravedad N=8? Bern y Kosower consideraron en 1989 la posibilidad de derivar la supergravedad (en aquella época N=1) a partir de ciertas simplificaciones en teoría de cuerdas. A partir de 1991, junto a Dixon, desarrollaron una técnica llamada “método unitario” que permite calcular los términos perturbativos a bajo orden utilizando esta analogía. En general, esta técnica permite calcular de forma eficiente ciertas amplitudes de probabilidad de procesos (de dispersión o scattering) en teorías de Yang-Mills supersimétricas (superYM) gracias a las relaciones de Kawai-Lewellen-Tye (KLT) entre amplitudes para cuerdas abiertas y cerradas (1997). ¿Y esto qué tiene que ver con la supergravedad? Se descubrió que los términos perturbativos gravitatorios se pueden factorizar en productos de términos perturbativos de Yang-Mills, en los que el método unitario es aplicable (1999). Algo prácticamente imposible de ver directamente, sale a la luz gracias a los avances matemáticos en el marco de la teoría de cuerdas. En física de campos ordinaria hubiera sido imposible descubrir algo como el método unitario. Una vez descubierto, ya no se podrá prescindir de él (igual que pasó con la renormalización dimensional).

Se pensaba que aparecían divergencias terribles en el cálculo de amplitudes de probabilidad en la supergravedad N=8 que implicaban que la teoría no servía para nada. Hasta cuarto orden estas divergencias no aparecen. Una sorpresa para todos, quizás, estamos ante una nueva revolución en física teórica.

Más información sobre este gran avance en supergravedad en este blog en ”Varapalo para la teoría de cuerdas: existe una teoría cuántica de la gravedad en 4D (cuatro dimensiones) finita, la supergravedad N=8,” publicado el 7 Agosto 2009. Para los que quieren algo más técnico (pero no el artículo original) sus autores nos ofrecen Z. Bern, J. J. M. Carrasco, H. Johansson, “Progress on Ultraviolet Finiteness of Supergravity,” Submitted on 23 Feb 2009 (solo menciona el éxito hasta tercer orden).

Más información básica sobre supergravedad en muchos puntos de la red (p.ej. wiki). Una buena recopilación de libros y artículos de revisión para principiantes en la string theory wiki. El mejor libro sobre el tema (sin los avances recientes) es sin lugar a dudas el tercer volumen de “Quantum Theory of Fields. III. Supersymmetry,” de Steven Weinberg, Cambridge University Press, 2000. Un buen artículo de revisión gratis Friedemann Brandt, “Lectures on supergravity,” ArXiv, Submitted on 3 Apr 2002.

Muy buena la charla de Dixon sobre “Is N=8 SupergravityFinite?,” KITP, Apr 26, 2007 (incluye video y audio). Quizás no tan bueno, pero también merece la pena, la charla de Bern “Supergravity from QCD Amplitudes,” KITP, Jun 29, 2004 (incluye vídeo y audio).

PS (18 agosto 2009): Hermann Nicolai, tarde (unas horas más tarde) pero seguro, nos cuenta lo mismo que cuento yo, pero en inglés, en “Vanquishing infinity,” Physics 2: 70, August 17, 2009. Merece la pena leerlo. Sobre todo para los que prefieren leer noticias científicas en inglés, más aún, cuando el autor es miembro del Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, Albert-Einstein-Institut. Además, porque ilustra la noticia con un cuadro abstracto de Pieter Cornelius Mondrian, ¡qué mejor manera de ilustrar los diagramas de Feynman hasta cuarto orden! No sé, me gusta, ciencia, arte, arte, ciencia, … líneas, colores planos, … un color plano es difícil, cuando es díficil un color plano (y a veces es extremadamente difícil). Depende de la técnica. Ciencia, arte, … técnica.

Ondas gravitatorias, su presente en LIGO y su futuro en LISA

En la teoría de Newton, la gravedad es instantánea, en la teoría de Einstein, se propaga a la velocidad de la luz, como una onda. ¿Onda de qué? Ondas de curvatura del espaciotiempo (Einstein, 1918). Las mareas en la Tierra son provocadas por el movimiento de la Luna. Las ondas gravitatorias son ondas de marea del tejido del espaciotiempo que pueden deformar a los objetos que encuentran a su paso. La fuerza de la gravedad es muy débil, 42 órdenes de magnitud menor que la fuerza electromagnética, por lo que las ondas gravitatorias generadas por movimientos de masas en la Tierra son extremadamente débiles (absolutamente indetectables experimentalmente). Los objetos capaces de hacer vibrar al espaciotiempo deben ser muy masivos y moverse muy rápido para que las ondas que generan, propagándose a la velocidad de la luz, alcancen la Tierra con un amplitud detectable . 

LIGO es un detector terrestre (por interferometría) de ondas gravitatorias sensible a las fuentes de ondas gravitatorias de alta frecuencia, como la explosión de supernovas, el colapso gravitatorio de una estrella en un agujero negro, la coalescencia de binarias “estelares,” y la radiación de estrellas de neutrones individuales. En el caso de agujeros negros serán de masa intermedia, entre 10 y 500 masas solares, y se encontrarán en nuestro entorno cercano, a una distancia inferior a 300 Mpc (megaparsecs). LIGO todavía no ha encontrado ondas gravitatorias, luego estos objetos son más escasos en nuestro entorno de lo que se pensaba (Lisa Maria Goggin, “A Search For Gravitational Waves from Perturbed Black Hole Ringdowns in LIGO Data,” Ph.D. Thesis, ArXiv, 10 Aug 2009).

Actualmente se encuentran en funcionamiento los detectores de ondas gravitatorias LIGO, VIRGO, GEO 600, TAMA 300, Nautilus y Auriga. Aunque ha habido varias falsas alarmas, todavía no se han logrado la observación directa de una onda gravitatoria. Más detalles sobre estos detectores en Jim Hough, Sheila Rowan, B.S. Sathyaprakash, “The search for gravitational waves,” J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38: S497-S519, 2005. Aún más detalles en los capítulos para cada uno de estos detectores en el libro editado por Ignazio Ciufolini, Vittorio Gorini, Ugo Moschella, y Pietro Fré, “Gravitational waves,” IOP Publishing, 2001.

El futuro de la detección de ondas gravitatorias serán los detectores en el espacio, en concreto, LISA, que se espera que empiece a funcionar entre 2013 y 2015. LIGO y LISA se complementan, como indica la figura que abre esta entrada, porque son sensibles a ondas gravitatorias de frecuencia diferente. LISA podrá observar ondas gravitatorias de baja frecuencia como las producidas en sistemas binarios en fase espiral (chirping binaries), agujeros negros supermasivos (formación, sistemas binarios, captura de objetos, …) y el propio fondo de ondas gravitatorias de origen cosmológico (en la Gran Explosión). LISA podrá observar agujeros negros con alta precisión verificando sus propiedades y si la descripción basada en el modelo de Kerr es correcta. Cómo se forman, crecen e inteactúan los superagujeros negros en el centro de las galaxias será uno de los grandes objetivos de LISA, junto amuchos otros fenómenos violentos en el universo cercano.

Las ondas gravitatorias son extremadamente débiles y se caracterizan por su amplitud h. La sensibilidad de un dectector de ondas gravitatorias viene dado por el cociente dL/L, que en el caso de LISA, con L igual a 5 millones de kilómetros y dL sólo de 0.05 picómetros, resulta en h > 10^-23, LIGO es algo menos sensible (pero para ondas de frecuencia diferente). Para más información sobre LISA recomiendo ”LISA: Probing the Universe with Gravitational Waves,” Version 1.0, January 19, 2007.

La generación de ondas gravitatorias en laboratorio y su posterior detección está más allá de los límites de la sensibilidad de la tecnología actual, por lo que hay que recurrir a fuentes astrofísicas y cosmológicas que involucran intensos campos gravitatorios. Actualmente se tiene una evidencia (indirecta) muy fiable sobre la existencia de ondas gravitatorias gracias a la reducción del periodo orbital observada en púlsares (Premio Nobel de Física en 1993 para Taylor y Hulse). El más estudiado es PSR 1913+16 y como indica la figura de la derecha, la fórmula de Einstein para la radiación gravitatoria explica perfectamente su comportamiento.

La radiación gravitatoria de PSR 1913+16 es demasiado débil para ser detectada en la Tierra (estamos muy lejos). Se necesitan fuentes mucho más intensas de radiación, como OJ 287, una galaxia muy lejana con un superagujero negro central rodeado por un agujero negro que acabará cayendo en su interior en unos 10 mil años. Se cree que LISA podrá detectar este tipo de ondas gravitatorias (muy intensas en su fuente, pero muy alejadas de nosotros). Más información sobre este objeto en “OJ 287: Agujero binario en el centro de una galaxia,” Observatorio de Calar Alto, 17 de Abril 2008.