Se puede estudiar la gravedad cuántica utilizando átomos enfriados cerca del cero absoluto gracias a modificaciones de la fórmula E=mc²

Los efectos de una teoría cuántica de la gravedad siempre se asocian a escalas de energía muy grandes y partículas elementales en régimen ultrarrelativista. Sin embargo, también pueden ser observados en objetos de gran masa en el régimen no relativista, si estos objetos obedecen las leyes de la mecánica cuántica, lo que ocurre cuando estos objetos se enfrían muy cerca del cero absoluto de temperatura. Nos lo recuerdan magistralmente, como no, Giovanni Amelino-Camelia y sus colaboradores, entre ellos varios españoles. El artículo técnico es Flavio Mercati, Diego Mazón, Giovanni Amelino-Camelia, José Manuel Carmona, José Luis Cortés, Javier Induráin, Claus Laemmerzahl, Guglielmo M. Tino, “Probing the quantum-gravity realm with slow atoms,” ArXiv, Submitted on 6 Apr 2010. Permitidme esbozar la idea.

La  escala de energía de Planck es prácticamente inalcanzable para la humanidad, ni en los aceleradores de partículas más grandes que podamos imaginar que la humanidad pueda llegar a construir en el futuro. La propuesta de Amelino-Camelia es que dichos efectos cuánticos gravitatorios se observarán en modificaciones de la relación de Einstein entre masa y energía, . Sí, utilizando la famosa fórmula, que los físicos escribimos normalmente como , o en el límite no relativista como (donde hemos tomado ). En general, las modificaciones de esta ley serán de la forma

donde la función dependerá de los detalles de la teoría correcta para la gravedad cuántica (teoría cuántica de bucles, geometría no conmutativa, etc.). Hay que destacar que si la teoría de cuerdas es la teoría correcta de la gravedad cuántica, dicho término será nulo, ya que la teoría de cuerdas es la única teoría conocida de la gravedad cuántica que no modifica esta relación entre masa y energía.  

¿Qué sabemos de la función general? Realmente poco. Todo el mundo cree que depende de la escala de masas de Planck , así como del momento (velocidad) y masa en reposo de la partícula u objeto considerado. Por tanto, podemos asumir que la teoría correcta cumplirá que

por lo que esperamos una expresión de la forma

donde los términos en la serie de potencias cumplirán las condiciones

.

En el régimen ”ultrarrelativista” tenemos , y usando argumentos bastante generales las posibles correcciones tomarán la forma general

en la que el término dominante de la corrección cuántica es , siendo mucho menor, etc. Determinar experimentalmente límites para los coeficientes de este desarrollo es extremadamente difícil ya que requiere considerar energías fuera del alcance de la mayoría de los experimentos que podemos controlar, luego sólo a la espera de tener suerte y que observemos un rayo cósmico altamente energético (como el que se observó recientemente con el telescopio espacial Fermi).

La propuesta de Amelino-Camelia y sus colegas es estudiar el otro régimen en el que los efectos cuánticos de la gravedad se harán visibles, el régimen no relativista en el que , que conduce a una expresión general de la forma

que puede ser estudiada utilizando átomos enfriados, por ejemplo, midiendo el efecto del retroceso (mecánico) del átomo cuando emite un fotón (al pasar del estado excitado al estado fundamental).  Amelino-Camelia nos propone hacerlo utilizando las técnicas de átomos enfriados del Premio Nobel de Física Steven Chu. Sin entrar en más detalles técnicos, el artículo técnico es de fácil lectura para físicos, sólo quería llamaros la atención a este hecho, algo que muchas veces olvidamos, los efectos de la gravedad cuántica podrían ser estudiados en experimentos de laboratorio a pequeña escala, al alcance de cualquier grupo de investigadores con ganas para ello.

Visualización científica en acción (Hans Rosling en TED Talks)

Increíble conferencia de Hans Rosling que nos muestra cómo ilustrar 4 y 5 dimensiones en series de datos a las mil maravillas. Sin lugar a dudas, disfrutarás con “Hans Rosling shows the best stats you’ve ever seen,” TED Talks, Feb. 2006. Si necesitas subtítulos en español puedes pinchar aquí (Subtitles available in 37 languages).

Tommaso Dorigo afirma en Valencia que en 2012 sabremos si el bosón de Higgs existe o no

Dentro de dos años (abril de 2012), el Tevatron del Fermilab habrá acumulado casi 11 fb^-1 (inversos de femtobarn) de colisiones a 2 TeV (teraelectrónvoltio), mientras que el LHC del CERN habrá acumulado 1 fb^-1 de colisiones a 7 TeV. ¿Qué podemos esperar que se sepa del bosón de Higgs del Modelo Estándar? Si existe y su masa es mayor de 115 GeV y menor de 200 GeV, habrá evidencia de su existencia a 3 sigma en el Tevatron y casi 4 sigma en el LHC (un descubrimiento requiere 5 sigma), luego estará a punto de ser descubierto. En este caso, el LHC continuaría en funcionamiento a 7 TeV durante todo el año 2012 y proclamaría un descubrimiento en 2013. Si no existe un Higgs con masa entre 115 y 200 GeV, lo sabremos gracias al Tevatron y el bosón de Higgs del Modelo Estándar estará descartado. Podría existir un bosón de Higgs muy masivo, entre 200 y 800 GeV, del que poco sabremos. En 2012 el Tevatron será clausurado y el LHC estará en un proceso de actualización que le preparará para colisiones a 14 TeV a partir de 2013. Nos lo ha contado Tommaso Dorigo en Valencia, España, en un seminario organizado por el IFIC (Instituto de Física Corpuscular CSIC/UV), “Present Status and Future Prospects of Higgs Boson Searches at the Tevatron Collider,” 8 de abril de 2010, que nos ha resumido en inglés en su blog como “2012: The Higgs Is Found, Or Ruled Out,” A Quantum Diaries Survivor, April 10th 2010. Me hubiera gustado asistir, pero me ha sido imposible. Os recuerdo que Tommaso es miembro del experimento CDF del Tevatron (Fermilab) y del experimento CMS del LHC (CERN). Permitidme que os resuma en español lo que nos cuenta en su blog, el mejor blog de Física de Partículas que conozco. Por supuesto, antes de nada, os recomiendo su lectura en inglés en el original, mucho más elocuente que yo.

Proyecciones preliminares para los límites de exclusión del bosón de Higgs en el Tevatron en función de la luminosidad integrada para una masa de 115 GeV (izquierda) y 160 GeV (derecha). (C) CDF Tevatron.

La exclusión de un rango de masas para el bosón de Higgs es mucho más fácil de predecir en los experimentos del Tevatron, perfectamente ajustados hasta el último detalle y que actualmente es capaz de lograr 2 fb^-1 de luminosidad integrada al año, que en el LHC, que está en proceso de ajuste y que se espera logre alcanzar sólo 1  fb^-1 de luminosidad integrada para finales de 2011. La figura de arriba muestra los límites de confianza al 95% para la exclusión del bosón de Higgs para dos valores posibles de su masa, sean 115 y 160 GeV, en función de la luminosidad integrada del experimento. Un valor de R ≤ 1 significa que se excluye (o se podrá excluir) un bosón de Higgs con dicha masa. La figura se ha calculado suponiendo una búsqueda conjunta de los experimentos CDF y DZERO, ambos con la misma luminosidad integrada (el doble (2×) que la de CDF) y que los eventos de fondo no presentan ninguna sorpresa (lo más razonable a priori). El punto negro indica el estado actual, no se excluye un bosón con 115 GeV pero sí uno con 160 GeV, y la línea negra la proyección esperada con los algoritmos de análisis de datos actuales. El sombreado naranja (“With improvements”) se refiere a posibles mejoras en la sensibilidad que se puedan lograr con las mejoras en los detectores y sobre todo en los algoritmos de análisis e interpretación de datos en los próximos dos años. Como se ve claramente, cuando el Tevatron alcance más de 11 fb^-1 de luminosidad integrada a finales de 2012, es decir, más de 6 fb^-1 en CDF y/o más de 5  fb^-1 en DZero (que es algo menos luminoso), se habrá excluido un bosón de Higgs con masa de 115 GeV. La figura no lo indica, pero por la parte superior del rango de masas, también se habrá excluido un bosón de menos de 180 GeV (en el LHC se habrá excluido hasta 200 GeV). Por supuesto, si el bosón de Higgs no existe en dicho rango de masas, ya que si existiera, habría evidencia (aunque pobre) de su existencia, tanto en el Tevatron como en el LHC. ¿Cuál es la probabilidad esperada de encontrarlo?

Proyección preliminar de la probabilidad de detectar un bosón de Higgs a 2 sigma (izquierda) y 3 sigma (derecha) en el Tevatron en función de la luminosidad integrada actual (rojo) y en dos años (azul). (C) CDF, Tevatron.

La figura muestra la mejor predicción posible de la probabilidad de encontrar un bosón de Higgs en los experimentos del Tevatron (resultado combinado CDF y DZero) en el rango de masas alcanzable, entre 115 y 200 GeV. Las curvas en rojo corresponden a 5 fb^-1 y en azul a 10 fb^-1. Las líneas discontinuas asumen una mejora en los detectores y algoritmos de análisis de datos. Olvidando las líneas discontinuas, sujetas a cierta duda, las líneas continuas muestran que hay una probabilidad del 15% de que el Tevatron descubra al Higgs en 2 años si tiene una masa de 115 GeV. Hay que tener cuidado con este gráfico. En este figura se ha mostrado la probabilidad estimada en teoría para el bosón de Higgs predicho por el Modelo Estándar. Por ejemplo, la figura también indica que hay una probabilidad del 25% de que el Higgs haya sido descubierto en enero de 2009 (y que sepamos, públicamente, todavía no se ha descubierto).

¿Se puede extrapolar la luminosidad integrada del Tevatron de aquí a los próximos dos años? Tommaso nos lo ilustra magistralmente con la figura de la izquierda que muestra su luminosidad integrada (CDF+DZero) desde 2002 hasta 2010. Como vemos en los últimos 8 años, extrapolar la luminosidad a dos años vista siempre da un valor pesimista, mucho más bajo del finalmente alcanzado. Por ello, sin temor a equivocarnos podemos asumir que a finales de 2011 se superarán los 1o fb^-1 y se alcanzarán casi los 11 fb^-1 (Tommaso, se lo recuerdo a los que no le conozcan, siempre pone sus pies sobre tierra firme y es poco optimista en sus extrapolaciones). 

El responsable de la financiación del Tevatron, el Departamento de Energía de los EEUU, y en última instancia el gobierno de EEUU, ha planificado que deje de funcionar a finales de 2011, ya que cuesta 200 millones de dólares al año tenerlo funcionando y sobre esa fecha, con el LHC en funcionamiento, la probabilidad de que el Tevatron logre un descubrimiento antes que el LHC es menor del 10%. De hecho, Tommaso nos recuerda que el Tevatron difícilmente superará los 2 fb^-1 de colisiones al año cuando el LHC, mucho más luminoso, debe de alcanzar los 10 fb^-1 al año cuando esté perfectamente ajustado.

Tommaso Dorigo nos ofrece tres posibles escenarios para dentro de dos años. Escenario 1:  no existe el Higgs del Modelo Estándar y sabremos que no existe en el rango de masas de 115 a 200 GeV, gracias al Tevatron de 115 a 180 GeV y gracias al LHC hasta 200 GeV. Escenario 2: existe un bosón de Higgs de masa intermedia, sea 150 GeV; en el LHC se tendrá una evidencia de 4 sigma mientras que en el Tevatron sólo será de 3 sigma; en este caso el LHC no será parado en 2012 y continuará operando a 7 TeV hasta que en 2013 proclame el descubrimiento del Higgs. Escenario 3: existe un bosón de Higgs de masa baja, sea 115 GeV; en el LHC no se observará nada y en el Tevatron se tendrá una señal con una evidencia de 2 sigma (similar a la que se obtuvo con LEP2 en el año 2000). Un bosón de Higgs de 115 GeV será un presa difícil de descubrir que requerirá, como pronto, hasta 2014 para que el LHC a pleno rendimiento, con colisiones a 14 TeV, logre cazarlo al vuelo.

Tommaso acaba recordándonos que los próximos dos años prometen ser muy excitantes en física de partículas.

Publicado en Science: Un juego por ordenador y un premio de 10000 euros demuestran que el aprendizaje social es óptimo a la hora de enfrentarse a un entorno cambiante

El secreto del éxito demográfico de nuestra especie, que ocupa prácticamente todos lo hábitats de la Tierra, se piensa que es la cultura humana. El secreto de la cultura es el aprendizaje social, el aprendizaje gracias a la influencia de la observación o la interacción con otros individuos. El aprendizaje social parece ventajoso evolutivamente porque permite evitar el coste, en términos de esfuerzo y riesgo, del aprendizaje por ensayo y error. Sin embargo, el aprendizaje social también puede llegar a costar tiempo y esfuerzo. Los individuos deben ser selectivos en cuándo y cómo utilizar el aprendizaje social a fin de equilibrar sus ventajas frente a sus riesgos. Cuáles son los mecanismos psicológicos que especifican cuándo un individuo copia de otro y cómo selecciona a de quien aprender. L. Rendell et al. han organizado un torneo por computador para equipos de informáticos en el que los participantes deben desarrollar estrategias ganadoras que pueden utilizar el aprendizaje social o varias alternativas asociales (como el aprendizaje por ensayo y error). Para motivarlos el premio eran 10000 €. El resultado sería un programa de ordenador capaz de vencer a los demás. El objetivo del juego es ganar, pero el entorno del juego es complejo y el software del vencedor ha de aprender a adaptarse a dicho entorno si quiere ganar. En teoría, por ejemplo utilizando conceptos de teoría de juegos, los autores predijeron que las mejores estrategias serían mixtas, combinando ambos tipos de aprendizaje. Sorprende, sin embargo, que en el torneo las estrategias que dependían en gran medida del aprendizaje social han tenido un éxito notable. En opinión de los autores, el aprendizaje social resultó ventajoso porque las personas se portaron racionalmente: los competidores supusieron que los otros competidores se portarían de forma racional. Las estrategias de aprendizaje social puedan ser algo más costosas que las estrategias de prueba y error, pero entre seres racionales las primeras conducen a mejores resultados en promedio. Los interesados en estos temas, que gracias a Punset se han popularizado mucho en España, disfrutarán del artículo, “Why Copy Others? Insights from the Social Learning Strategies Tournament,” Science 328: 208-213, 9 April 2010. También de Laura Sanders, “Copycats prevail in computerized survival game. ‘Information scroungers’ have the most successful strategy, study suggests,” ScienceNews, April 8th, 2010.

Más sobre aprendizaje social en Science: Michael Balter, “Evolution of Behavior. Did Working Memory Spark Creative Culture?,” Science 328: 160-163, 9 April 2010; Elizabeth Culotta, “Archaeology. Did Modern Humans Get Smart Or Just Get Together?,” Science 328: 164, 9 April 2010; Elizabeth Pennisi, “Cultural Evolution. A Winning Combination,” Science 328: 166, 9 April 2010.

Publicado en Science: Zewail y el seguimiento paso a paso de la ruptura de enlaces en una reacción química

El egipcio Ahmed H. Zewail, afincado en EEUU, recibió el Premio Nobel de Química 1999 por sus estudios mediante espectroscopía de femtosegundos de cómo ocurren paso a paso las reacciones químicas, determinando todos los estados de transición intermedios. Hoy en Science publica un largo (7 páginas) e interesante artículo de revisión del estado actual del arte de la microscopía electrónica ultrarrápida (UEM), también llamada 4D, por que usa 4 dimensiones, donde la cuarta dimensión es el tiempo. Los microscopios electrónicos utilizan electrones para lograr ver detalles que son imposibles de ver con los microscopios ópticos que utilizan fotones ultravioletas, cuya longitud de onda es de unos cientos de nanómetros. Tradicionalmente los microscopios electrónicos han sido estáticos ya que los electrones se repelen los unos a los otros lo que impide comprimirlos en tiempo tanto como a los fotones en un pulso de luz. Zewail nos revisa los avances tecnológicos recientes que han permitido superar esta barrera y lograr resoluciones temporales de billonésimas de segundo (hasta 0’1 picosegundos) sin menoscabo de su precisión espacial. Según afirma en su artículo, actualmente la única limitación de estas técnicas es la velocidad e la vídeo cámara que ha de grabar las imágenes. Ahmed H. Zewail, “Four-Dimensional Electron Microscopy,” Review, Science 328: 187-193, 9 April 2010.

Las técnicas desarrolladas por Zewail permiten hacer un seguimiento de una reacción química hasta el extremo de determinar la secuencia de enlaces químicos que se rompen durante la misma, que depende del acoplamiento entre la dinámica electrónica y nuclear de cada átomo de las moléculas involucradas. Leonid Sheps et al. estudian en el mismo número de Science la fotodisociación del segundo estado electrónico excitado (llamado A’) de un complejo molecular formado por un anión de monobromuro de iodo con dióxido de carbono [IBr^–(CO₂)]. Estudios anteriores han mostrado que la disociación del anión IBr^– desnudo tiene como productos finales solamente I^– + Br. Sin embargo, la espectroscopía fotoelectrónica ultrarrápida revela que en la fotodisociación del complejo IBr^–(CO₂) un subconjunto de las moléculas sufre una transferencia de electrones del iodo al bromo tras sólo 350 femtosegundos tras la excitación inicial. El estudio de este proceso ha requerido simulaciones por ordenador de dinámica molecular que han permitido elucidar el mecanismo de esta transferencia de carga en la que la molécula de dióxido de carbono juega un papel crucial. La molécula de CO₂ actúa como un “catalizador” para una transferencia de electrones a través de una distancia de sólo 7 angstroms. La figura muestra la participación de los cuatro estados electrónicos de menor energía (llamados X, A, A’, y a) durante la fotodisociación del IBr (curvas sólidas marcadas 1, 2 y 3) medida por el dióxido de carbono. Realmente es curioso cómo podemos seguir paso a paso la ruptura de enlaces en una reacción química y ver la película de los hechos en escalas de los femtosegundos. El artículo técnico es Leonid Sheps et al., “Solvent-Mediated Electron Hopping: Long-Range Charge Transfer in IBr^–(CO₂) Photodissociation,” Science 328: 220-224, 9 April 2010 (originally published in Science Express on 4 March 2010).

El artículo incluye tres películas que muestran los tres modos de fotodisociación observados experimentalmente mediante simulaciones de dinámica molecular: Movie s1, ruptura en tres del estado excitado del IBr^–(CO₂), en concreto en I^–, CO₂, y Br; Movie s2, ruptura en dos del IBr^–(CO₂), en concreto en Br y I^–(CO₂); y Movie s3, ruptura en tres con transferencia de un electrón del ión I^– al Br. Desde que conocí el trabajo de Zewail, cuando le concedieron el Nobel, todavía me sorprende cuando leo artículos como este en el que es observa en escalas de (cientos de) femtosegundos el proceso detallado de una reacción química. La química reducida a física.

OJ 287, un par de agujeros negros en rotación mutua

No es una noticia nueva que OJ 287 es un sistema binario en el que dos agujeros negros orbitan el uno alrededor del otro , pero a veces conviene recordar el pasado [1]. El cuásar OJ 287 presenta picos de luminosidad óptica cuasiperiódicos en intervalos de unos 12 años y muestra una pérdida de energía orbital compatible con una fuerte radiación de ondas gravitatorias. Se sabe que son dos agujeros en rotación mutua porque algunos de estos picos son dobles y es difícil explicar esta duplicidad suponiendo que existe un único agujero negro. El agujero negro más masivo tiene 1’84 × 10¹⁰ MS (masas solares) y el secundario sólo 1’46 × 10⁸ MS, con una excentricidad de la órbita de 0’70. El parámetro de rotación (o espín) adimensional es igual a 0’28 ± 0’01  (1 sigma). El próximo pico de luminosidad se espera para finales de 2015, en concreto para el 15 de diciembre de 2015 si el parámetro de espín vale 0’28, para el 3 de enero de 2016 si vale 0’25 y para el 26 de noviembre de 2015 si vale 0’31. La pérdida de energía por radiación gravitatoria de este agujero negro binario coincide con la relatividad general de Einstein en un 2% (1 sigma). Todos estos valores se han publicado en enero de 2010 [2]. A mí me sorprende la gran exactitud de la predicción y que el agujero central del par sea el agujero negro más masivo que se conoce hasta la fecha (18 400 millones de masas solares) [3]. Esto me recuerda al descubrimiento del planeta Neptuno y del planeta enano Plutón. Más información en español en Observatorio de Calar Alto, “OJ 287: Agujero binario en el centro de una galaxia,” InfoAstro.com, 17 de Abril 2008.

[1] Se sabe desde 1988 (A. Sillanpää et al., “OJ 287 – Binary pair of supermassive black holes,” Astrophysical Journal 325: 628-634, 1988; versión gratis), aunque yo me enteré cuando saltó a la fama (M. J. Valtonen et al., “A massive binary black-hole system in OJ 287 and a test of general relativity,” Nature 452: 851-853, 17 April 2008; gratis en ArXiv). Ahora lo recuerdo al releer sobre él en Bee, “OJ 287,” Backreaction,April 08, 2010.

[2] M. Valtonen et al., “Measuring Black Hole Spin in OJ287,” ArXiv, 8 Jan 2010 [ApJ, Feb. 2010].

[3] Muchas fuentes lo indican, he decidido buscar en Menéame. Han sido portada ”Colosal agujero negro destroza las escalas y todos los records,” Ciencia Kanija, 10-01-2008; y “El agujero negro más grande descubierto hasta la fecha,” NeoTeo.com, 11-05-2009.” No llegó a portada “Calculan la masa del objeto más grande posible en el universo [ENG],” Daily Galaxy, 14-07-2009.

Observados los dos primeros bosones W en el detector ATLAS del LHC en el CERN

Segundo evento candidato a bosón W observado en el detector ATLAS el 5 de abril de 2010. (C) CERN.

El primer objetivo del LHC en el CERN es redescubrir el modelo estándar. Puede parecer fácil, pero requiere tiempo y requiere sumar colisiones. En la primera semana de colisiones se ha alcanzado una luminosidad integrada aproximada de 0’1 inversos de nanobarn. ¿Qué significa esto? Por ejemplo, ¿cuántos bosones W se pueden haber observado? La desintegración más fácil de observar es la desintegración del bosón W en leptones (electrones o muones) que a 7 TeV tiene una sección eficaz de 10 nanobarn. Eso significa que se tiene que haber observado solamente un bosón W en la primera semana, quizás a día de hoy, al menos dos. ¿Han sido observados? Parece que sí. No está confirmado, pero el primer evento candidato a ser un bosón W se observó el 1 de abril (se desintegró en un muón y un neutrino muónico) y el segundo el  5 de abril (se desintegró en un positrón y un neutrino electrónico, ver la figura de arriba). Pronto se observará el primer bosón Z y en unas semanas incluso un quark top (el primero que se observará en Europa). Ahora mismo el LHC está en fase de pruebas y la luminosidad instantánea de los detectores del LHC en el momento actual es baja, muy baja. En los próximos meses crecerá en un factor de al menos un millón. Entonces ya no será noticia cada nueva partícula que se redescubre en el LHC. Mientras tanto, disfrutaremos de estos momentos de gloria pasajera para la física de partículas europea.

¿Crecerá en un factor de al menos un millón? Como nos cuentan en “Its All About The Lumi!,” ATLAS Control Room Blog, April 5, 2010, la luminosidad instantánea del LHC ahora mismo es del orden de 10²⁷cm^-2s^-1 (número de colisiones por centímetro cuadradado y por segundo), habiendo sido diseñado para alcanzar una luminosidad instantánea 10 millones de veces mayor, 10³⁴cm^-2s^-1 (a 14 TeV, a 7 TeV seguramente será 10 veces menor). Una vez se entienda bien esta nueva máquina que hemos puesto en funcionamiento hace poco más de una semana, se podrá ajustar para incrementar su luminosidad instantánea muchos órdenes de magnitud (básicamente ajustarlo todo para que en los puntos de colisión el área de intersección entre las áreas transversales de los dos paquetes de protones que colisionan garantice un número optimo de colisiones de los partones (quarks y gluones) que constituyen los protones). Por ejemplo, el 4 de abril se realizó el primer test de este tipo en el detector CMS y se logró incrementar la luminosidad un poquito (un  50% más).

PS (9 abril 2010): ¿Observados dos bosones W u observados dos candidatos a bosones W? Cuestión que se preguntan en Menéame y que he contestado allí así: “En física de partículas de alta energía las partículas no se “observan” una a una, ya que todo evento (resultado de una colisión) tiene una probabilidad no nula de ser una fluctuación estadística o un error en los detectores. Por eso los físicos siempre anteponemos la palabra “candidato.” Es muy probable que los dos W observados sean realmente dos W (pues conocemos muy bien los W y sus propiedades) pero “nunca digas nunca jamás,” no se puede descartar nunca que sea un par de fluctuaciones estadísticas y que los mil físicos del detector ATLAS que creen que sí han observado un par de W no estén equivocados.

Si observas mil eventos de este tipo, la probabilidad de que los mil sean fluctuaciones es tan baja que los físicos asumen que los mil son eventos “buenos” (pero observando sólo un par es imposible asegurarlo).”

Publicado en Nature: Un GPS en la minimochila de cada paloma permite estudiar la dinámica jerárquica de la toma de decisiones en vuelo

¿Cómo toma decisiones sobre su ruta un grupo de palomas en vuelo? ¿Hay algún líder que marque la pauta? Saberlo es muy difícil pues seguir a un grupo de palomas durante su vuelo con cámaras es prácticamente imposible. La opción, instalar un GPS en una minimochila en la espalda de las palomas y tomar detalles de las trayectorias en vivo y en directo. Gracias a los avances en miniaturización de GPS es posible lograrlo sin afectar a la movibilidad en vuelo de las palomas (la minimochila pesa unos 16 gramos). Nos lo cuentan en Máté Nagy, Zsuzsa Ákos, Dora Biro, Tamás Vicsek, “Hierarchical group dynamics in pigeon flocks,” Nature 464, 890-893, 8 apr. 2010 (página web de los autores). Todavía no saben cómo toman las decisiones los miembros del grupo pero han aplicado una técnica de reconstrucción de árboles de toma de decisión a partir de los datos espaciotemporales observados experimentalmente y estos árboles parecen indicar que la toma de decisiones es jerárquica, con un líder que decide y un grupo que obedece. Además, parece que prestan más atención a sus compañeros que ven con el ojo izquierdo que con el ojo derecho. Todo indica que la posición dentro del grupo es clave en la jerarquía de toma de decisiones, pero ¿cómo se selecciona al líder? ¿Es siempre el mismo o cambia en función de la posición en el grupo? Y muchas otras preguntas todavía no tienen respuesta. Aún así, es un estudio muy interesante que nos muestra cómo los avances en la tecnología nos permiten estudiar con nuevos ojos dinámicas que antes estaban fuera de toda consideración posible, y que ha sido portada en Nature, nada más y nada menos. Os dejo un vídeo en youtube (más vídeos en AVI en la página web de los autores y en MOV en la información suplementaria del artículo en Nature).

Noticia en Menéame que enlaza Europa Press, “¿Quién es la jefa en una bandada de palomas?,” ABC.es, 7 abr. 2010; “La situación de las aves en las bandadas es jerárquica,” El País, 08/04/2010; “Palomas eligen casi democráticamente a líder de bandada,” Nuestro País, 7 abr. 2010; noticias en Google.es; news in Google.

Publicado en Nature: Memorias flash “inteligentes” que utilizan memristores nanotecnológicos

Conmutadores memresistivos formados cruce de un nanohilo con 17 nanohilos transversales (izq.) y curva de histéresis de cada uno de ellos (der.). Cada nanomemristor tiene un tamaño de 50 nm × 50 nm. (C) Nature.

La “cerebro” de tu ordenador funciona gracias a la operación conjunta de una memoria para los datos y unos circuitos electrónicos que implementan operaciones lógicas que se aplican a los datos y que controlan el flujo de estas operaciones. Utilizando nanocircuitos basados en un nuevo elemento circuital, llamado memristor, es posible unir ambas funciones en una sola. Además, los memristores son elementos nanotecnológicos ya que se pueden fabricar en un área de 50 nanómetros cuadrados. Julien Borghetti y sus colegas publican en Nature como un memristor puede implementar operaciones lógicas que combinan circuitos combinacionales y secuenciales en un solo elemento. El nuevo artículo demuestra que un circuito con sólo dos memristores puede utilizados para ejecutar la operación lógica de implicación, IMP, y con sólo tres memristores la operación lógica NAND (“no y” lógico). Recuerda cuando estudiaste “Lógica” que p IMP q significa “p implica q,” o “si p, entonces q,” que equivale a (NOT p) OR q, y que la operación p NAND q, significa “no (p y q),” es decir, NOT(p AND q). Esta última puerta es una puerta universal, toda función lógica se puede implementar utilizando sólo puertas NAND. Leon Chua en 1971 propuso un cuarto elemento eléctrico pasivo, el memristor (M), contracción de “memory-resistor” (resistencia con memoria), que como indica su nombre combina un elemento de memoria y una resistencia. El memristor complementa a los tres elementos  ya conocidos  en teoría de circuitos: la resistencia (R), el condensador (C) y la inductancia (L). Hace dos años se descubrió como fabricar memristores nanotecnológicos (en este blog). La ventaja de los memristores es que funcionan a la vez como elementos de memoria y como operadores lógicos (en la tecnología convencional se requiere una implementación separada de elementos de memoria, lógica secuencial, y elementos lógicos, lógica combinacional). El artículo técnico es Julien Borghetti, Gregory S. Snider, Philip J. Kuekes, J. Joshua Yang, Duncan R. Stewart & R. Stanley Williams, “‘Memristive’ switches enable ‘stateful’ logic operations via material implication,” Nature 464: 873-876, 8 April 2010.

Implementación de la implicación (IMP) con dos memristores P y Q. (C) Nature.

En 1936, más de una década antes de la invención del transistor, Claude Shannon inventó la electrónica digital en su proyecto fin de carrera. Mostró como implementar las operaciones booleanas básicas, p OR q, y p AND q, utilizando circuitos electrónicos con contenían conmutadores en serie (puerta OR) y paralelo (puerta AND). Utilizando un relé logró incluir la operación NOT. La implicación IMP y la puerta siempre falso definen un conjunto universal de puertas lógicas (toda función lógica se puede construir con ellas), también lo define una única puerta NAND (o NOR). El artículo de Borghetti et al. muestra cómo implementar una operación IMP utilizando dos memristores y una operación NAND con tres memristores.

Implementación de una puerta lógica NAND con tres memristores (P, Q, y S). (C) Nature.

La gran ventaja de los circuitos con memristores es que no hay que separar los circuitos lógicos de la memoria donde se almacenarán los datos. Además, estos circuitos son nanoelectrónicos ya que cada memristor requiere unos 50 nanómetros cuadrados. Con una matriz de memristores podríamos obtener una memoria RAM “inteligente” capaz de almacenar datos y realizar operaciones sencillas con ellos, acelerando la velocidad de procesamiento de datos sin incrementar la potencia consumida y minimizando al máximo el espacio físico utilizado para su implementación.

El futuro de las memorias flash (que todos usamos en los lápices de memoria USB) promete ser realmente revolucionario en los próximos años con terabytes de memoria en lápices de memoria con un tamaño mínimo (el del conector del puerto USB).

Hannibal Lecter, experto en teoría de cuerdas según Thomas Harris, pero experto en “teoría coherente” según el traductor al español

La mayoría de las conferencias divulgativas sobre teoría de cuerdas nos recuerdan que Hannibal Lecter, el caníbal, es experto en teoría de cuerdas, según el libro de Thomas Harris, “Hannibal,” Delacorte Press, 1999, capítulo 89: “Lecter sits and… repeat efforts with the symbols of string theory.” El traductor al español de este libro, ignorando lo que significa “string theory” y pensando que el lector también lo ignorará, lo tradujo como “Se sienta … repite una y otra vez los esfuerzos por encadenar los símbolos en una teoría coherente.” ¿Es lo mismo teoría de cuerdas que teoría coherente? Abajo tenéis los párrafos completos. Lecter es un psiquiatra loco inventado por Thomas Harris, que se hizo famoso gracias al gran papel de Sir Anthony Hopkins en la película “El silencio de los corderos.” En la precuela “Hannibal” aparece Lecter leyendo sobre teoría de cuerdas y criticando los artículos de Stephen Hawking en relación al origen de la flecha del tiempo. Para Lecter la flecha del tiempo no tiene su origen en la segunda ley de la termodinámica, que la entropía no puede decrecer, y busca una formulación matemática alternativa basada en teoría de cuerdas. Lo sorprendente es que en la traducción al español, editada por Mondadori, reeditada por Círculo de Lectores, etc., no aparece mencionada la teoría de cuerdas, aunque sí Stephen Hawking y la entropía. ¿Por qué? ¿Licencia poética del traductor? ¿Piensa el traductor que un lector de novelas de Harris es incapaz de conocer lo que es la teoría de cuerdas?

Harris quiere hacernos ver que Lecter tiene dotes de superdotado, por eso le describe leyendo y criticando las teorías de Stephen Hawking y peleándose con la matemática de la teoría de cuerdas. ”Los pocos matemáticos que podrían seguirle [a Lecter] podrían decir que sus ecuaciones iniciales son brillantes, pero que decaen lastradas por su propio deseo: el doctor Lecter está empeñado en invertir la flecha del tiempo, en demostrar que el aumento de la entropía no es el origen de la flecha del tiempo.”

Thomas Harris, “Hannibal,” Delacorte Press, New York, 1999; Chapter 89; página 490.

“Lecter sits in his armchair with a big pad of butcher paper doing calculations. The pages are filled with the symbols both of astrophysics and particle physics. There are repeated efforts with the symbols of string theory. The few mathematicians who could follow him might say his equations begin brilliantly and then decline, doomed by wishful thinking. Dr. Lecter wants time to reverse — no longer should increasing entropy mark the direction of time. He wants increasing order to point the way.”

Thomas Harris, “Hannibal,” Mondadori, 1999; Capítulo 89 [traducido por José Antonio Soriano, de la edición original de Delacorte Press, Nueva York, 1999 ]

“Se sienta en el sillón con un fajo de papel basto, haciendo cálculos. Las hojas están llenas de símbolos, tanto de astrofísica como de física subatómica. Se repiten una y otra vez los esfuerzos por encadenar los símbolos en una teoría coherente. Los pocos matemáticos que podrían conseguirlo dirían que sus ecuaciones comienzan con brillantez y luego decaen, lastradas por una quimera: el doctor Lecter está empeñado en hacer revertir el tiempo, en lograr que la entropía en aumento deje de marcar la dirección del tiempo. En vez de eso, quiere que un orden en aumento señale el camino. Quiere que los dientecillos de leche de Mischa regresen del pozo ciego. Tras sus cálculos febriles hay un deseo desesperado de hacer sitio en el mundo para Mischa, tal vez el sitio ocupado hasta ahora por Clarice Starling.”

La parte en la que ve un documental sobre las teorías de Hawking y critica el origen termodinámico de la flecha del tiempo [página 410 en el original en inglés].

“El doctor Lecter estaba viendo una película titulada “Breve historia del tiempo,” sobre el gran astrofísico Stephen Hawking y su obra. La había visto muchas otras veces y aquélla era su parte favorita, el momento en el que la taza de té se cae de la mesa y se hace añicos contra el suelo.

[...] El doctor Lecter sentía gran admiración por la obra de Hawking y la seguía tan de cerca como le era posible a través de las revistas especializadas en matemáticas. Sabía que Hawking había creído en sus comienzos que el universo dejaría de expandirse y volvería a encogerse, y que la entropía podría dar marcha atrás. Más tarde Hawking afirmó que se había equivocado.

Lecter era bastante competente en el área de las ciencias exactas, pero Stephen Hawking se encuentra en un plano inalcanzable para el resto de los mortales. Durante años Lecter le había dado mil vueltas al problema deseando con todas sus fuerzas que Hawking hubiera estado en lo cierto al principio; que el universo dejara de expandirse, que la entropía se enmendara a sí misma, que Mischa, devorada, volviera a estar entera.

El tiempo. El doctor Lecter detuvo la cinta de vídeo y puso las noticias.”

Avance teórico en los aceleradores de partículas mediante láseres: 250 julios acelerarán electrones a decenas de gigaelectrónvoltios

Las aceleradores de partículas son instrumentos científicos  muy costosos (miles de millones de euros) y enormes (el LHC tiene un túnel de 27 km) porque acelerar partículas por radiofrecuencia es muy ineficiente, se obtienen aceleraciones de 0’1 GeV por metro. La alternativa es la aceleración de plasmas mediante láseres ultrapotentes. Se han alcanzado aceleraciones para electrones de hasta 200 GeV por metro, si bien en distancias de pocos centímetros, logrando energías máximas hasta de 1 GeV. En la próxima década se espera que se alcancen los 10 GeV. El diseño de este tipo de aceleradores LWFA (laser beam driven plasma wakefield accelerators) se está desarrollando en la actualidad con simulaciones mediante supercomputadores. Silvia Lorenz Martins, del Instituto de Plasmas y Fusión Nuclear, Lisboa, Portugal, y sus colegas publican en Nature Physics un estudio detallado de la influencia de la energía del láser, los parámetros del plasma y demás parámetros que habrá que optimizar para su diseño. El láser incide sobre un plasma que es acelerado formándose una burbuja en cuya estela se observa un haz de electrones ultraenergético, que se acelera hasta alcanzar decenas de veces la energía que ha alcanza el resto del plasma. Con un láser de 250 julios las simulaciones indican que se acelerarán los electrones hasta decenas de gigaelectrónvoltios (GeV). Nos lo cuenta Raoul M. G. M. Trines, “Wakefield accelerators: Plasma models get a boost,” News and Views, Nature Physics 6: 239-240, 2010, siendo el artículo técnico S. F. Martins, R. A. Fonseca, W. Lu, W. B. Mori, L. O. Silva, “Exploring laser-wakefield-accelerator regimes for near-term lasers using particle-in-cell simulation in Lorentz-boosted frames,” Nature Physics 6: 311 – 316, March 2010.

Chaos, Solitons & Fractals ya tiene nuevos editores principales

El 16 de marzo de 2010, Elsevier anunció que su revista Chaos, Solitons & Fractals (CSF), sin editor durante casi un año y medio, tras la “jubilación forzosa” para M. El Naschie, tiene nuevos coeditores principales, Maurice Courbage (Francia) y Paolo Grigolini (EEUU). Su misión, lavar la imagen de la revista CSF manchada gravemente por su anterior editor principal, ¿lo lograrán? Con el apoyo de un editorial como Elsevier y el hecho de que la mayoría de las suscripciones a dicha revista son en forma de paquete (una más entre muchas revistas), la tarea no será difícil. ¿Más cambios en la revista? Bueno, ahora el “Aims & Scope” se centra en la teoría de la complejidad desde un enfoque multidisciplinar. Además, ya que están puestos, también le han cambiado la imagen. Una nueva imagen incluyendo una nueva portada y un nuevo formato (ahora a dos columnas). ¿Más cambios aún? Un cambio completo en el “Editorial Board.” Visto en El Naschie Watch, “Chaos, Solitons & Fractals lives again,” March 18, 2010. Ver también Philip Davis, “Controversial Math Journal Relauches: New Editors, Focus on Rigorous Review,” The Scholarly Kitchen, Mar 18, 2010.

¿Volverán a autopublicarse artículos los nuevos editores? Para evitarlo Elsevier afirma que todo artículo con uno de los editores principales como coautor será enviado al otro editor principal, con objeto de evitar los problemas éticos con los que El Naschie regó la revista: “Manuscripts (co-)authored by one of the co-Editor-in-Chief will be handled fully by the other co-Editor-in-Chief in an undisclosed review process.”

“It is our ambition to develop Chaos, Solitons & Fractals into a leading journal in the exciting field of complexity,” Prof. Grigolini.

“One of the main hallmarks of the journal will be the interdisciplinarity of complex systems,” Prof. Courbage.

Palabras de El Naschie, con el pseudónimo de J. Bohme (24 de marzo de 2010): “It is regrettable that the journal narrowed its scope considerably and quite honestly to its disadvantage. Chaos, Solitons & Fractals distinguished itself by mingling in measured doses mathematics, physics and engineering. The objective of the journal was always application. Complexity theory is simply a tool. To change Chaos, Solitons & Fractals to just another mathematical journal is extremely sad and will reduce it to just one of many.”

La pregunta del millón es: Si lo han cambiado todo, por qué no también el título. Mi respuesta: Nadie quiere desaprovechar un altísimo índice de impacto (2’980 en ISI JCR 2008). Me temo, de todas formas, que el alto índice de impacto bajará en picado sin las técnicas de ingeniería del índice de impacto y autopublicación del anterior editor principal.

Un par de vídeos ilustrando colisiones observadas en el LHC (ATLAS y CMS)

 Estructura física del experimento CMS (primer minuto) y una colisión (últimos 23 segundos) observada el 30 de marzo de 2010 en el LHC a 7 TeV. Los dos paquetes (bunches) de protones en azul, las trayectorias de las partículas resultantes de la colisión en amarillo, las lecturas de los calorímetros en azul. (C) CERN.

Colisión 3D en el túnel del LHC (primeros 30 segundos) y colisión “real” protón-protón reconstruida, incluyendo entres los resultados un muón (la línea larga al final del vídeo) en el experimento ATLAS (obtenida en el LHC  a 7 TeV el 30 de marzo de 2010). (C) CERN.

Colisiones múltiples en el LHC del CERN o los algoritmos de reconstrucción de trayectorias

Preciosa imagen de una colisión doble (con dos vértices primarios) observada en el experimento ATLAS del LHC del CERN el 30 de marzo de 2010. En el LHC a 7 TeV la mayoría de las veces en el punto de colisión de dos “paquetes” (bunches) de protones se produce una colisión con múltiples vértices primarios (a 14 TeV se esperan hasta 24, con un más de 3500 partículas involucradas). En la figura, una colisión doble, dos protones de un paquete chocan simultáneamente con dos protones del paquete que incide en dirección opuesta. Una colisión típica, ver más abajo, contiene un vértice primario (que produce varios vértices secundarios), que corresponde a la colisión protón-protón más energética, y varios vértices primarios adicionales de poca energía (llamados vértices pile up, porque producen señales en los calorímetros que se apilan sobre las del vértice primario). Los algoritmos de seguimiento de trayectorias están preparados para discernir todas las trayectorias con precisión separando el grano (el vértice primario más energético) de la paja (resto de los vértices). En la figura de arriba, no me he molestado en contarlas, habrá unas 64 trayectorias de partículas. Imagina, por un momento, que hubiera 512 o 1024 trayectorias. Obviamente, lo más difícil para los algoritmos de detección de vértices y seguimiento de trayectorias son las colisiones con múltiples vértices primarios. En mi opinión, esta figura ilustra a la perfección que los algoritmos de análisis de trayectorias de ATLAS están funcionando de forma excelente. Los interesados en más detalles técnicos sobre estos algoritmos (implementados en C++ utilizando programación orientada a objetos) disfrutarán con E. Bouhova-Thacker, V. Kostyukhin, T. Koffas, W. Liebig, M. Limper, G. Piacquadio, K. Prokoiev, C. Weiser, A. Wildauer, on behalf of the ATLAS Collaboration, “Vertex Reconstruction in the ATLAS Experiment at the LHC,” CDS CERN, 29 may 2009. 

¿Cuántos zombies conoces?

La chorrada de publicar artículos “chorra” en ArXiv aprovechando el 1 de Abril, Día de los Inocentes, lleva a artículos curiosos. Si queréis reiros un rato podéis recurrir a Andrew Gelman, George A. Romero, “«How many zombies do you know?» Using indirect survey methods to measure alien attacks and outbreaks of the undead,” ArXiv, Submitted on 31 Mar 2010 (luego Published on 01 Apr 2010). También me ha gustado Z.K. Silagadze, “LHC card games: bringing about retrocausality?,” ArXiv, Submitted on 31 Mar 2010 (que aclara, partly April 1 stuff). Me ha gustado menos Anže Slosar, “A New Figure of Merit for Dark Energy Studies,” ArXiv, Submitted on 31 Mar 2010. Seguramente habrá unos cuantos más pero me han pasado desapercibidos… he leído sólo los títulos. Si alguien conoce alguno más de este año, por favor, que no olvide comentárnoslo a todos.

Por supuesto, todos conoceréis ya, y os habréis hartado de reir, con “Hombre detenido en el LHC dice venir del futuro,” que llegó a portada en Menéame. Sobre todo os habréis hartado de reir con los comentarios “chorra” en la página de Menéame: da la sensación que ha habido inocentes que se han creído la noticia (debe ser que se hacen los “inocentes” para provocar la risa de los demás, en los primeros comentarios ya lo aclaran los “listos”).

Por qué si el LHC del CERN observa un bosón de Higgs nadie se lo creería o el problema de la calibración de los detectores

Esta figura hecha pública por el detector CMS de LHC del CERN el martes 30 de marzo muestra el cálculo de la masa del pión (mesón pi) neutro gracias a su desintegración en dos fotones. La masa observada es de 116’25 ± 0’33 MeV/c². Sin embargo, el Particle Data Group indica que su masa es 134’9766 ± 0’0006 MeV/c². El valor de la masa del pión neutro obtenido el primer día de colisiones del LHC tiene un error del 14%. ¿Cómo es posible? ¿Nueva física? No, problemas de calibración. La energía en los calorímetros no está calibrada y a baja energía los errores son enormes. Las primeras semanas de toma de datos se dedicarán a calibrar todos los detectores utilizando el modelo estándar como referencia. Hay que calibrar muchísimos parámetros antes de confiar en la física que se observe en el LHC. ¿Sorprendente? Para muchos será sorprendente que los detectores de una máquina en la que trabajan miles de investigadores no se puedan calibrar antes de iniciar las colisiones, utilizando rayos cósmicos, por ejemplo, pero así es. Cada vez que se cambia la energía de las colisiones hay que recalibrar. Visto en Edgar Carrera, “Immediate rediscovery of physics,” US LHC Blog, 30 Mar 2010. Ver también los comentarios en esta entrada del blog de Tommaso Dorigo.

Sophie Morel, la primera mujer profesora en el Departamento de Matemáticas de la Harvard

Sophie (Marguerite) Morel, 31 años, que algunos ven como posible candidata a ser la primera mujer en recibir la Medalla Fields (aunque no en la India en 2010), acaba de ser elegida profesora del Departamento de Matemáticas de la Universidad de Harvard. Obtuvo su tesis doctoral en 2005, trabajó en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton de 2006 a 2008, actualmente miembro del Instituto Clay de Matemáticas, culmina ahora su espectacular carrera en Harvard (mantiene su plaza en el Clay). Enhorabuena, Sophie. Más información y foto en “Mathematician gains dual appointments. Sophie Morel will join FAS, Radcliffe Institute,” Harvard gazette, 03 apr. 2010. Visto en “Short Items,” Not Even Wrong, April 2nd, 2010. Impartirá el curso MATH 129: “Number Fields” sobre Teoría Algebraica de Números (Spring 2009-2010). Más información en “Sophie Morel Named Professor of Mathematics and Radcliffe Alumnae Professor at Harvard,” January 14, 2010.

Por cierto, Harvard ya no es lo que era (la primera universidad del mundo en la mayoría de los listados) y se espera que este año abandone su puesto de primacía (aunque no abandonará el top 5). La crisis, que mala es la crisis.

PS (06 abr. 2010): Como bien dice un lector, o quizás lectora, sorprende que sea noticia “la primera mujer que…” en lugar de “Sophie M. Morel…” Lo ilustra muy bien la siguiente viñeta (vista en ”Women & STEM (Part 1): Lack of Interest and Other Lies,” Mary, April 6, 2010).

La última década en la física teórica de partículas elementales

Adam Falkowski, físico teórico, ahora postdoc en la Universidad de Rutgers, durante su doctorado en el CERN inició un interesante blog de física teórica, Resonaances. Su último artículo nos resume los avances más importantes en física teórica durante la década de 2000-2009. Obviamente es su visión personal, pero me ha gustado. Por ello, permitidme llamaros la atención al respecto con un resumen de Jester, “Farewell to the Noughties – Theory,” Resonaances, Saturday, 3 April 2010. Jester aprovecha que las primeras colisiones de partículas en el LHC a 7 TeV son un antes y un después en física de partículas para resumirnos los avances más importantes en física teórica en la década de los 2000 (“noughties” en inglés). Permitidme mi visión personal sobre sus ideas (lo que empezó siendo una traducción se ha convertido en una redacción).

La supersimetría no es la única solución para estabilizar el bosón de Higgs. La contribución del bosón de Higgs en el modelo estándar es su propia ruina, ya que dota a las partículas de masa en reposo a costa de introducir correcciones divergentes cuadráticamente a nivel cuántico. La única manera de domeñar estas correcciones es que existan nuevas simetrías o nuevas partículas en la escala del TeV, la que explorará el LHC del CERN. La solución más conocida a este problema es la supersimetría: cada partícula masiva tiene como compañera una superpartícula mucho más masiva que cancelan mutuamente sus contribuciones cuadráticas. En los 2000 se han propuesto muchos otros modelos teóricos que logran estabilizar el modelo estándar. Lo bueno y lo malo de estos modelos es que son tan buenos o tan malos como la supersimetría para lograrlo. Así que la una única manera de elegir el correcto está en el sector experimental.

La cromodinámica cuántica (QCD) sigue viva y coleando. Los cálculos en QCD son extremadamente complicados y se necesitan grandes supercomputadores (QCD en redes). Los físicos teóricos llevan años buscando teorías efectivas que faciliten los cálculos (usando software de cálculo simbólico) y esta década se han presentado varios avances (como la teoría SCET, por soft-collinear effective theory). También se han presentado varios cálculos heroicos de correcciones de alto orden a procesos del modelo estándar que serán estudiaado en el LHC. Aunque estos avances son “aburridos” son clave para hacer la vida de los físicos experimentales del LHC mucho más sencilla.

La física de la materia oscura es “exótica” de lo esperado. Los resultados experimentales de la búsqueda de partículas candidatas a materia oscura ha ofrecido evidencias de que la materia oscura es más “exótica” de lo que se pensaba. Los dos candidatos “oficiale” (las partículas tipo WIMP, como los neutralinos, y los axiones) encuentran dificultades a la hora de explicar estas evidencias (aún por confirmar). Por ello se ha trabajado mucho en otros candidatos más exóticos, como partículas de Kaluza-Klein, gravitinos, e incluso miniagujeros negros.

Nuevas técnicas para calcular diagramas de Feynman. La física de partículas es “aburrida” para mucha gente porque está plagada de diagramas de Feynman. Los procesos de alto orden requieren la evalucación de cientos de diagramas. Utilizando software simbólico se evitan errores pero los cálculos se simplifican poco. En esta última década se han desarrollado varias técnicas “mágicas” para calcular diagramas de Feynman en bloque, combinando varios diagramas en un nuevo diagrama efectivo más simple. Técnicas basadas en ideas de la teoría de cuerdas, en el uso de espacios de twistores, relaciones de recurrencia BCFW, reglas CSW, etc. Estas técnicas han tenido especial relevancia en el cálculo de los diagramas de Feynman que aparecen en las extensiones supersimétricas del modelo estándar.

Finalmente, siguen de moda las dimensiones extra. El desarrollo de nuevos modelos físicos ha estado dominado por los trabajos en dimensiones extra de Randall y Sundrum, con un fuerte uso de las conjeturas tipo AdS/CFT.

Por cierto, los interesados en conocer la visión de Jester sobre las aportaciones más importantes de la última década en el lado experimental de la física de partículas elementales pueden recurrir a “Farewell to the Noughties – Experiment,” Resonaances, 29 January 2010.

La respuesta de Garrett Lisi a la crítica de Distler y Garibaldi a su teoría de todo basada en E8

Garrett Lisi, el físico surfero, es mediático (“Cientificos maravillados con una nueva teoría del todo“) y si alguien critica su teoría afirmando que es incorrecta (“Refutada la “Teoría del Todo” del físico surfero,” Ciencia Kanija, este blog), él publica una respuesta mediática. Su respuesta al artículo técnico de Jacques Distler y Skip Garibaldi se ha publicado en su blog en el FQXi (que financia su investigación) “E8 theory disproved?,” Mar. 29, 2010. Yo me pregunto, ¿por qué ha esperado casi un año Garrett para ofrecer una respuesta? Quien sabe…  Su respuesta es simple: no entiende los argumentos de Garibaldi y Distler, pero tienen que ser incorrectos, faltaría más, su teoría es correcta luego ellos están equivocados. Nos cuenta bastante bien el estado del asunto Lubos Motl, “Lisi, Distler, Garibaldi, and chirality,” The Reference Frame, April 02, 2010. Lubos nos cuenta que le preguntó al genial Leonard Susskind en una conferencia en Praga por la teoría de Garrett Lisi. La respuesta de Susskind fue sencilla: si todo el mundo decide que es incorrecta, no hay nada más que decir. De todas formas, Lubos nos comenta 10 hechos que resumiré aquí.

1. La teoría de Lisi incluye los grupos de simetría correctos para todas las fuerzas (excepto la gravedad). Sí, las incluye, ya que los grupos de simetría del modelo estándar son subgrupos del grupo E8, pero esto ya se sabía hace 25 años (fue la razón por la que se introdujo la teoría de cuerdas heteróticas, basada en E8×E8).

2. La teoría de Lisi incluye la representación correcta de los grupos de simetría para los fermiones de una generación (dos quarks, el electrón y un neutrino), pero eso ya se sabía hace 35 años, cuando grupos como E6 y E8 fueron propuestos en el contexto de una teoría de gran unificación (GUT).

3. Pero la teoría de Lisi no incluye la gravedad, ya que la gravedad no puede emerger de una teoría de Yang-Mills pura cualquiera que sea el grupo de simetría utilizado. El grupo de difeomorfismos, la clave de la covarianza de la relatividad general, no se puede obtener como subgrupo del grupo de una teoría de Yang-Mills y la simetría de Lorentz local no es suficiente para obtener un gravitón con la polarización correcta.

4. Tampoco incluye la teoría de Lisi la quiralidad del modelo estándar, que no puede emerger de una teoría que utilice el grupo E8, ya que este grupo no tiene representaciones complejas. El artículo de Distler y Garibaldi discute este punto en detalle. La simetría de E8 no se puede romper dando lugar a configuraciones quirales como las del modelo estándar.

5. Ni ofrece la teoría de Lisi ningún tipo de teoría cuántica unificadora, limitándose a presentar lagrangianos clásicos, que dado que utiliza grupos no compactos, nadie sabe utilizar para construir una teoría cuántica bien definida.

6. Tampoco unifica la gravedad con el resto del modelo estándar, la teoría de Lisi afirma unificar bosones y fermiones sin utilizar la supersimetría, pero sólo presenta una simetría compatible con bosones. Lisi habla de “fermiones espejo” pero nadie tiene claro que es lo que quiere decir con ello. 

7. La teoría de Lisi no admite múltiples generaciones de partículas (se conocen en la actualidad tres).

8. Obviamente, Lisi no discute la renormalizabilidad de su teoría, concepto que sólo se puede discutir en el contexto de una teoría cuántica, siendo la teoría de Lisi, por el momento, clásica.

9. La teoría de Lisi no incluye la gravedad cuántica y como afirma incluir la teoría de la gravedad clásica de Einstein, que no es renormalizable, como teoría de gravedad cuántica no puede ser renormalizable.

10. No resuelve problemas tan importantes como el problema de la jerarquía, ¿por qué el bosón de Higgs es ligero?

11. No aporta ningún candidato a materia oscura. La teoría de Lisi es una teoría “mínima” que trata de no predecir nada nuevo para no meter la pata, pero claro, sin candidato a materia oscura, su teoría mínima contradice la evidencia astrofísica y cosmológica.

12. No aporta una solución al problema de la constante cosmológica (o al problema de la energía oscura).

En resumen, Lubos Motl está entre los críticos de las ideas de Lisi, ideas que se llevará el viento como en ”lo que el viento se llevó.”

El papel de Emmy Noether en el desarrollo de la teoría de la relatividad general de Einstein

Un artículo de Juan José R. Calaza,  economista y matemático, titulado “Dudas respecto a Albert Einstein,” Levante-EMV.com, 01-04-2010 [visto en Menéame], me ha hecho recordar la historia del debate sobre la prioridad entre Einstein y Hilbert sobre el descubrimiento de la ecuación fundamental de la relatividad general. Afirma en su artículo que “antes que Einstein, la Relatividad General fue formalizada por David Hilbert, también en 1915, de forma más completa, elegante y robusta; entre otras razones técnicas por el atinado uso del teorema, sin publicar por entonces, de Emmy Noether, matemática alemana, de religión judía.” ¿Uso Hilbert el teorema de Noether en su formulación de las ecuaciones de Einstein? El (segundo) teorema de Noether fue presentado en una conferencia por Klein en 1916, porque Noether era mujer y eran otros tiempos, publicado por ella en 1918. El teorema es fundamental para entender la conservación de la energía en las ecuaciones de Einstein. ¿Uso Hilbert en sus “Foundations of Physics” el teorema de Noether? El “Teorema I” de Hilbert está considerado como un caso particular del llamado segundo teorema de Noether. Hilbert afirmó que dicho teorema era el leitmotiv su teoría covariante unificada que combina la gravitación y el electromagnetismo no lineal de Mie, teoría en la que se presenta su ecuación para la gravitación. Noether demostró en 1915 su primer teorema, pero su segundo teorema es considerado por los historiadores como posterior a la publicación del trabajo de Hilbert. Aprovecharé la ocasión para recordar algunas cosas al respecto de la polémica Einstein-Hilbert e indicaros algunas referencias para los interesados en más detalles (de Noether, hablar, no hablaré más; pido perdón a quien se sienta engañado por el título).

Lo primero, durante la vida de David Hilbert y Albert Einstein nadie se preocupó por la cuestión de la prioridad en la derivación de las ecuaciones de Einstein. Tanto Einstein como Hilbert obtuvieron las ecuaciones por caminos distintos. Ambos se cartearon y se influyeron mutuamente. Pero ambos lo tenían muy claro, fue Einstein el que las obtuvo en primer lugar (algunos historiadores piensan que a Hilbert la cuestión le importaba un comino). La polémica sobre la prioridad se puso de moda en los 1970, muchos años después de que ambos hubieran fallecido.

La polémica es la siguiente. El día 20 de noviembre de 1915, Hilbert envió a publicación un manuscrito en el que aparecía la ecuación covariante para la gravitación en relatividad general. Distibuyó copia de este manuscrito entre mucha gente, entre ellos el propio Einstein. Einstein envió su manuscrito con la ecuación covariante para la gravitación el 25 de noviembre de 1915, cinco días después de Hilbert y habiendo recibido copia del manuscrito de Hilbert. ¿Fue Hilbert el primero?

Entre los historiadores de la ciencia especializados en el desarrollo de la relatividad general de Einstein el debate ha sido muy intenso, pero la gran aportación a la polémica la obtuvo el historiador Leo Corry, que analizó los manuscritos originales de Hilbert (encontrados en 1994) y las correcciones que introdujo en ellos a partir de las cartas que Einstein le envió (las que él le envió a Einstein se perdieron). El análisis de este material demostró que las pruebas originales del 20 de noviembre de 1915 no incluían la ecuación de Einstein ni su teoría era completamente covariante (el manuscrito difería en muchos detalles de lo que finalmente su publicó, pero se mantuvo la fecha original de envío en la publicación final). Tras conocer el artículo posterior de Einstein, Hilbert añadió correcciones a dicho manuscrito, que ya había sido enviado, Hilbert en aquella época era muy poderoso, que aparecieron en la versión publicada de dicho artículo, el 31 de marzo de 1916.

 La solución de Corry a la polémica se publicó en la mismísima Science, lo que no es moco de pavo. Leo Corry, Jürgen Renn, John Stachel, “Belated Decision in the Hilbert-Einstein Priority Dispute,” Science 278: 1270-1273, 14 November 1997. Más aún, escribió un artículo para la revista española Investigación y Ciencia sobre este tema, “Einstein, Hilbert y la Teoría General de la Relatividad“, Investigación y Ciencia 206: 28-34, Nov. 1998 . Artículo que os recomiendo y que yo, como supongo que muchos de vosotros, disfruté en su momento.

Polémica resuelta. Bueno, sí y no. Para los historiadores de la ciencia la polémica está resuelta. Sin embargo, sigue habiendo mucha gente que sigue pensando que Hilbert se adelantó a Einstein. Por ejemplo, Dieter W. Ebner, “How Hilbert has found the Einstein Equations before Einstein and forgeries of Hilbert’s page proofs,” ArXiv, Submitted on 19 Oct 2006. Este artículo es interesante porque indica que el Teorema I del manuscrito de Hilbert que aparecía en las primeras versiones de su manuscrito estaba demostrado incorrectamente. La mayoría de los investigadores que no están de acuerdo con el análisis de Corry consideran que Hilbert y Einstein derivaron la misma ecuación de forma independiente y utilizando argumentos físicos y matemáticos diferentes. En esta línea es interesante el artículo del polémico Logunov (gran opositor a las ideas de Einstein, que desarrolló la “Teoría Relativista de la Gravitación” donde el espaciotiempo es plano y la gravitación es un campo similar al electromagnetismo): Anatolii A Logunov, Mirian A Mestvirishvili, Vladimir A Petrov, “How were the Hilbert–Einstein equations discovered?,” Physics-Uspekhi 47: 607-621, 2004.

Lo que debe quedar claro sobre la autoría de la relatividad general nos lo cuenta muy claramente John Stachel, “New Light on the Einstein-Hilbert Priority Question,” J. Astrophys. Astr. 20: 91–101, 1999 [trabajo que fue realizado conjuntamente con Leo Corry y Jürgen Renn]. El desarrollo de la teoría general de la relatividad es una obra en tres actos. El acto I es la formulación del principio de equivalecia (Einstein, 1907-1908); el acto II, es la elección del tensor métrico como campo relativista que generaliza al potencial gravitatorio escalar de Newton (Einstein, 1912-1913); y el acto III, la búsqueda de la ecuación correcta para el tensor métrico (Einstein, con la ayuda inicial de Grossmann, 1913-1915, y Hilbert 1915). Las ecuaciones de Einstein-Grossmann de 1913 iban en la línea correcta, pero Einstein pensaba que su límite clásico (newtoniano) era incorrecto (el “problema del agujero”). Einstein pensó que el problema era propio de cualquier teoría covariante de la gravitación. Se equivocaba, como sabemos ahora. Empezó una búsqueda de ecuaciones no covariantes, un camino equivocado, pero quizás un camino que tenía que recorrer antes de obtener la respuesta correcta.

David Hilbert entró en la búsqueda de la ecuación correcta en el verano de 1915. Einstein estaba buscando una ecuación no covariante y fue invitado por Hilbert para dar una serie de conferencias en Gotinga (del 29 dej unio al 7 de julio). Gotinga era la capital matemática del mundo, contando con genios como Felix Klein y Emmy Noether (recién incorporada, no sin polémica). Hilbert estaba trabajando en la teoría electrodinámica no lineal de Mie y disfrutó con las conferencias de Einstein. En otoño de 1915, Einstein y Hilbert mantuvieran una intensa correspondencia que fue clave para que Einstein retornara a la covarianza general, al tensor de Ricci, que ya aparecía en la ecuación de Einstein-Grossmann, y al uso del tensor de energía-esfuerzos (artículos enviados a publicación el 4 y el 11 de noviembre de 1915). La solución del problema de la precesión anómala del perihelio de Mercurio fue enviada el 18 de noviembre. La forma final, definitiva, de las ecuaciones de la gravedad la envió Einstein el 25 de noviembre de 1915. Hilbert mientras tanto se centró en formular unas ecuaciones unificadas pque combinanaban la gravitación de Einstein y el electromagnetismo de Mie en una formulación basada en un principio de covarianza general. En este contexto, surgió el artículo en el que Hilbert publicó las ecuaciones de campo correctas unos días antes que Einstein, ecuaciones que le envió por carta el 18 de noviembre y que envió a publicación el 20 de noviembre.

Bueno, ya hemos dicho cual fue la aportación de Corry et al. y como se resolvió la polémica. Las cartas originales entre Einstein y Hilbert, así como los manuscritos originales de los artículos de esta época aparecen en ”Einstein Studies, volume 11,” que nos comenta en detalle David E. Rowe, “Einstein Studies, volume 11: A retrospective review,” Studies In History and Philosophy of Science Part B: Studies In History and Philosophy of Modern Physics 39: 667-686, September 2008.

Por cierto, los intereados en más detalles sobre el artículo de Hilbert disfrutarán con K.A. Brading, T.A. Ryckman, “Hilbert’s ‘Foundations of Physics’: Gravitation and electromagnetism within the axiomatic method,” Studies In History and Philosophy of Science Part B: Studies In History and Philosophy of Modern Physics 39: 102-153, January 2008.