La teoría de cuerdas vuelve a sus orígenes (cantemos todos “QCD killed the stringy star”)

http://www.youtube.com/watch?v=Iwuy4hHO3YQ&a=z_qaH5bd8TQ

La teoría de cuerdas nació para explicar la fuerza nuclear fuerte. El confinamiento de los quarks en los mesones se explicaba como si los dos quarks en un mesón estuvieran unidos por una cuerda que al separarlos se rompe en dos, impidiendo aislar dichos quarks, siempre unidos por cuerdas. La cromodinámica cuántica mató a la teoría de cuerdas. Los teóricos de cuerdas encontraron la gravedad (el gravitón) y pensaron que el filón de la gravedad cuántica sería su salvación. Las grandes esperanzas en los 1980, tras la primera revolución de la teoría de cuerdas, y en los 1990, tras la segunda revolución, de lograr una “Teoría de Todo” se desvanecieron en los 2000 (por el problema del vacío o landscape). La esperanza “cordal” de la gravedad cuántica está ahora de capa caída. Sin embargo, las cabras descarriadas siempre vuelven al redil. Gracias a Maldacena, Witten, y otros, gracias a la dualidad AdS/CFT, la teoría de cuerdas ha vuelto a finales de los 2000 a sus orígenes y ha vuelto para quedarse. Hoy en día es imposible entender el acomplamiento fuerte entre partículas en teorías cuánticas de campos sin recurrir a la matemática de la teoría de cuerdas. Cuerdas, D-branas, agujeros negros y otros “artilugios” matemáticos son claves para entender los plasmas de quarks y gluones, las transiciones de fase cuánticas,  y muchos otros sistemas fuertemente acoplados en física de la materia condensada. Nos lo cuentan por doquier, como por ejemplo en Clifford V. Johnson, Peter Steinberg, “What black holes teach about strongly coupled particles,” Physics Today 63: 29-33, May 2010 (de acceso gratuito). Clifford es autor de un blog, Asymptotia, en el que ha tratado estos temas muchísimas veces y, como no, ha dedicado una entrada a su propio artículo titulada “The Search for Perfection,” May 3, 2010. Ha llegado el momento en el que todos tenemos que cantar la canción de los Buggles, “Video killed the radio star” pero coreando el estribillo con un “QCD killed the stringy star” ¡Vamos todos!

El problema del vacío en teoría de cuerdas se refiere al hecho de que aunque los teóricos de cuerdas afirman que la teoría de cuerdas es única, sin embargo, la aproximación efectiva a la teoría de cuerdas a baja energía, el vacío, que debería coincidir con el modelo estándar, no es único, todo lo contrario. No se sabe ni cuántos posibles vacíos hay, pero algunos llegan a estimarlos en 10¹⁰⁰, una barbaridad. Demasiados posibles vacíos para poder explorarlos todos en busca de uno o una familia que conduzca al modelo estándar. Más aún, ¿qué es un vacío de la teoría de cuerdas? Hace años se pensaba que era una variedad (hipersuperficie) de tipo Calabi-Yau en 6 dimensiones (las que se compactifican en las dimensiones transversales de las cuerdas). Sin embargo, desde la introducción de la dualidad y la teoría M ya ni siquiera se sabe lo que es un vacío en teoría de cuerdas. ¿Una variedad de 6 dimensiones general? ¿Algún tipo en particular? Nadie lo sabe. La NSF (National Science Foundation) lleva financiando desde 2006 un proyecto llamado “String Vacuum Project” (SVP) para estudiar el vacío en teoría de cuerdas. Sólo este año se han recibido 150 mil dólares para pagar a 3 becarios. En 2008 se les dedicó una noticia en Nature, Geoff Brumfiel, “String theorists hope to classify the cosmos. Dimensions of space-time used to order potential universes,” News, Nature 452: 392-393, 26 March 2008. Ayer acabó la primera reunión anual del proyecto SVP (SVP 2010 Spring Meeting). Los vídeos de las conferencias están disponibles en la web de KITP. No sé si alguno de los lectores estará interesado en la fenomenología de la teoría de cuerdas, pero el resumen más rápido de esta conferencia es que los teóricos de cuerdas no tienen ni idea de cómo resolver el problema del vacío. Basta ver el resumen de Michael Douglas, ahora en Stony Brook, “Questions About the String Landscape,” KITP SVP, May 04, 2010. Visto en Peter Woit, “String Vacuum Project 2010,” Not Even Wrong, May 3rd, 2010.

Todo lo contrario ocurre en el campo de las aplicaciones de la teoría de cuerdas en teoría cuántica de campos, cromodinámica cuántica, física del estado sólido, etc. Como nos cuenta Clifford en su blog y en su artículo con Peter Steinberg, “What black holes teach about strongly coupled particles” (aunque el artículo es gratis, él también se ha permitido colgarlo en su web), los fluidos ideales (en equilibrio local y con viscosidad η despreciable) no existen en la Naturaleza, salvo en unos pocos casos excepcionales. El más famoso es el comportamiento del helio-3 como superfluido, pero hay muchos otros ejemplos. En el experimento RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del BNL (Brookhaven National Laboratory) se descubrió en 2005 gracias a la colisión de núcleos de oro que un plasma de quarks y gluones se comportan como un fluido ideal. Un grupo de la Universidad de Duke demostró que un sistema fuertemente acoplado de átomos de litio también se comporta como un fluido ideal. Incluso, el grafeno muestra comportamiento de fluido ideal. Todos estos ejemplos se caracterizan por un acoplamiento fuerte entre sus constituyentes. Las teorías matemáticas usuales para estudiar estos fluidos ideales no funcionan porque se basan en aproximaciones perturbativas que requieren un acoplamiento débil. ¿Qué hacer entonces? Hay que recurrir a la teoría de cuerdas y la dualidad AdS/CFT.

Para estudiar un plasma de quarks y gluones no se puede utilizar la teoría de perturbaciones basada en la propiedad de libertad asintótica de la cromodinámica cuántica (a distancias muy cortas la fuerza fuerte entre quarks disminuye hasta anularse). Sin embargo, los resultados del RHIC no se pueden entender utilizando la libertad asintótica, que predice que el plasma de quarks y gluones debería comportarse como un gas, no como un fluido. La salvación de los teóricos es el principio holográfico conjeturado por Gerard ’t Hooft y desarrollado por Leonard Susskind. Según este principio cualquier teoría cuántica de la gravedad en un espacio tiempo (d+1)-dimensional es equivalente a una teoría cuántica de campos en su frontera d-dimensional. Este principio permitió entender/explicar la entropía de los agujeros negros y la radiación de Hawking-Bekenstein en el contexto de la teoría de cuerda en los 1990. Explicar efectos de una teoría de la gravedad en (d+1) dimensiones mediante una teoría no gravitatoria en d-dimensiones, su “dual holográfico” parece una cara de la moneda. La otra cara de la moneda es explicar una teoría no gravitatoria en d-dimensiones utilizando una teoría gravitatoria en (d+1)-dimensiones. Parece una tontería, pero es una herramienta mucho más poderosa de lo que parece y uno de los grandes logros de la teoría de cuerdas en la década de los 2000, ya que el régimen de acoplamiento fuerte de la teoría no gravitatoria se transforma en el régimen de acoplamiento débil de la teoría gravitatoria.

La correspondencia AdS/CFT es el ejemplo mejor conocido de la holografía y relaciona una teoría gravitatoria en un espaciotiempo llamado anti-de Sitter (un espaciotiempo plano de Minkowski con constante cosmológica negativa) con una teoría no gravitatoria de campos conformes (teoría gauge de Yang-Mills supersimétrica con una invarianza de escala local). La simetría gauge de la teoría es el grupo SU(Nc), donde Nc es el número de colores. La dualidad AdS/CFT es útil cuando Nc es un número grande. Todo esto parece poco útil en cromodinámica cuántica, una teoría no supersimétrica con sólo Nc=3. Sorprendentemente, para el estudio de plasmas de quarks y gluones a alta energía, las diferencias entre ambas teorías son muy pequeñas, lo que permite aprovechar todo el potencial de la teoría de cuerdas. Máxime cuando QCD en redes (la versión “numérica” de la cromodinámica) encuentra muchas dificultades computacionales a la hora de estudiar un plasma de quarks y gluones realista.

Una idea que parece de ciencia ficción: agujeros negros en un espaciotiempo en 5D que permiten estudiar el comportamiento a temperatura finita de teorías de Yang-Mills tipo QCD en 4D. ¿Un accidente? ¿Una mera coincidencia? ¿Hay algo más profundo en esta conexión íntima entre objetos tan poco relacionados a priori? Realmente todavía no se sabe. Lo que sí sabemos es que la teoría de cuerdas está dando unos jugosos frutos que hace 10 años parecían utópicos. ¿Hasta dónde nos llevará este retorno de la teoría de cuerdas a sus orígenes?

PS (12 mayo 2010): La entrada de Lubos Motl, “So is the (AdS/QCD) black hole real?,” The Reference Frame, May 12, 2010, discute en qué sentido los agujeros negros en el contexto de la correspondencia AdS/CFT son reales o no. Su entrada es respuesta a los comentarios de Clifford Johnson en “But is it Real? (Part One),” Asymptotia, May 11, 2010.

Publicado en PRL: Nuevo récord en el empaquetamiento aleatorio de tetraedros gracias a la ayuda de escolares y dados del juego Dragones y Mazmorras

Dados de Dragones y Mazmorras utilizados, y volumen normalizado de agua necesario para rellenar un recipiente esférico relleno de dados D4 y esferas del mismo radio. (C) PRL

Hay dados del juego de rol Dragones y Mazmorras que tienen 4, 6, 8, 12 y 20 caras. Los dados D4 son tetraedros cuyas caras son triángulos equiláteros. Paul M. Chaikin, profesor de física de la Universidad de Nueva York, ha comprado 1000 dados D4 y ha puesto a varios escolares de secundaria a rellenar peceras (esféricas), bidones (cilíndricos) y otros recipientes. Gracias a este trabajo colaborativo ha batido el récord mundial en empaquetamiento aleatorio de tetraedros, alcanzando una fracción del 76±2 %, trabajo que ha publicado en Physical Review Letters. Este récord es mejor que el mejor empaquetamiento posible de esferas (74% cuando se colocan todas ordenadas como naranjas en una caja del supermercado). ¿Cómo ha medido la densidad de empaquetamiento? Rellenando el recipiente con agua para comprobar el volumen necesario para alcanzar una altura determinada. ¿Cómo están empaquetados los tetraedros? De forma completamente aleatoria, como ha mostrado utilizando imagen por resonancia magnética nuclear. ¿Se puede mejorar este rércord? En teoría sí que se puede, ya que el récord teórico es del 85’6%, encontrado por Elizabeth R. Chen, Michael Engel, y Sharon C. Glotzer, “Dense crystalline dimer packings of regular tetrahedra,” ArXiv, 5 Jan 2010. Aún así, y como es obvio, todo el mundo se ha hecho eco de este espectacular trabajo colaborativo. Nos lo contó Kenneth Chang, “Packing Tetrahedrons, and Closing In on a Perfect Fit,” The New York Times, January 4, 2010 (visto en Stefan, “Physics Bits and Bites,” Backreaction, May 04, 2010), y nos lo ha vuelto a contar Daan Frenkel, “The tetrahedral dice are cast … and pack densely,” Physics 3: 37, May 3, 2010, siendo el artículo técnico (de acceso gratis) Alexander Jaoshvili, Andria Esakia, Massimo Porrati, Paul M. Chaikin, “Experiments on the Random Packing of Tetrahedral Dice,” Phys. Rev. Lett. 104: 18550. 3 May 2010.

Fracción de volumen normalizada para el empaquetamiento de dados D4 cilindros en función del radio del bidón, y corte transversal por resonancia magnética nuclear mostrando la distribución de los dados D4. (C) PRL

Aristóteles se equivocó hace 2300 años. Pensaba que el empaquetamiento de tetraedros regulares idénticos era perfecto, ocupando el 100% del volumen, sin dejar ningún hueco, como en el caso del empaquetamiento de cubos idénticos. Quizás por ello, el empaquetamiento de tetraedros no ha tenido interés hasta muy recientemente. El empaquetamiento de esferas idénticas obviamente deja huecos y colocadas como naranjas en una caja del supermercado se logra una densidad del 74’05 %, como ya conjeturó Johannes Kepler en 1611. Demostrarlo costó cuatro siglos y requirió el uso de ordenadores, pero se logró en 1998 gracias al trabajo de Thomas C. Hales, matemático de la Universidad de Pittsburgh, EEUU.

El mejor empaquetamiento posible con tetraedros no es fácil de imaginar, pero basta pensar un poco para darse cuenta de que no empaquetan de forma perfecta. En 1900, David Hilbert propuso el empaquetamiento denso de tetraedros regulares como un caso particular de su problema número 18 (en su famosa lista de 23 problemas que dictó en París). En 1972, Stanislaw Ulam conjeturó que el mejor empaquetamiento con objetos convexos idénticos era el de las esferas. En el año 2000, Betke y Henk desarrollaron un algoritmo por ordenador eficiente para el cálculo de empaquetamientos densos de cuerpos convexos y se lo aplicaron a todos los sólidos regulares arquimedianos. En el año 2006, el famoso matemático John H. Conway y el químico Salvatore Torquato, utilizaron dicho programa de ordenador para buscar teóricamente el mejor empaquetamiento posible de tetraedros asumiendo que formaban “moléculas” de 2 tetraedros (similares al icosaedro) y encontraron que podían rellenar menos del 72% del espacio (algo menos que con esferas). Lo publicaron en PNAS. Este trabajo parecía confirmar la conjetura de Ulam. Sin embargo, como Aristóteles, Conway también se equivocó. 

El matemático Jeffrey C. Lagarias de la Universidad de Michigan puso a trabajar en este problema a su alumna de doctorado Elizabeth Chen quien descubrió un empaquetamiento teórico de tetraedros regulares que alcanzaba casi el 77’86 % (Chen dice que Lagarias no se lo creía). Su “molécula” estaba formada por 9 tetraedros formando dos dipirámides pentagonales que compartían un tetraedro. Lo publicó en Elizabeth R. Chen, “A Dense Packing of Regular Tetrahedra,” Discrete and Computational Geometry 40: 214-240, 2008. La carrera por la búsqueda del mejor empaquetamiento de tetraedros había dado comienzo. En pocos meses aparecieron empaquetamientos mejores alcanzando el 78’20%, 78’37%, 78’58%, 82’23 %, 83’88 %, … el año 2009, sin lugar a dudas, fue el año de los empaquetamientos de tetraedros.

Sharon C. Glotzer, ingeniera química de la Universidad de  Michigan, desarrolló un nuevo programa de ordenador para simular empaquetamientos de tetraedros en cristales líquidos y cuasicristales que le permitió descubrir un empaquetamiento aún mejor, que superaba el 85’03 % (una locura, en sus propias palabras). Mientras escribía un artículo para Nature, descubrió que un grupo de Cornell usando un método diferente había logrado un empaquetamiento ligeramente mejor, alcanzando el 85’47% (Yoav Kallus, Veit Elser, Simon Gravel, “Dense periodic packings of tetrahedra with small repeating units,” Discrete and Computational Geometry, Published online 03 March 2010, como ArXiv preprint, 27 Oct 2009). Pero en diciembre de 2009, el Dr. Torquato y su estudiante de doctorado Yang Jiao, encontraron un empaquetamiento aún mejor, que alcanza el 85’55 % (S. Torquato, Y. Jiao, “Analytical Constructions of a Family of Dense Tetrahedron Packings and the Role of Symmetry,” ArXiv, 21 Dec 2009). ¡Alucinante!

Sin embargo, Chen todavía no había defendido su tesis doctoral. Quería incluir el mejor empaquetamiento conocido. ¿Cómo lograrlo? Lo mejor, formar equipo con el grupo de Glotzer. Juntas lograron en enero de 2010 el actual récord, una densidad del 85’63% (como ya hemos dicho, publicado en Elizabeth R. Chen, Michael Engel, y Sharon C. Glotzer, “Dense crystalline dimer packings of regular tetrahedra,” ArXiv, 5 Jan 2010). El récord utiliza un “molécula” de 16 tetraedros, que se muestra con dados amarillos en la figura. Esta “molécula” se repite para obtener el empaquetamiento óptimo. Chen ya ha defendido su tesis doctoral este año. Enhorabuena, Dra. Chen, y bienvenida al club, has entrado por la puerta grande.

¿Se puede hacer mejor? Es difícil, pero quizás no es imposible, aunque yo no espero que se mejore mucho el 85’63%. ¿Se publicará en 2010 algún empaquetamiento de tetraedros mejor? Quien lo logre lo publicará en Nature o en Science. En este blog estaremos al tanto de esta interesante cuestión matemática, que tiene aplicaciones obvias en química y ciencias de los materiales.

La estructura tridimensional del genoma de la levadura de la cerveza

Dos vistas 3D de la reconstrucción tridimensional del genoma de la levadura. (C) Nature

El genoma de una célula eucariota está almacenado en su núcleo dividido en cromosomas, que no están distribuidos al azar, sino que presentan una estructura tridimensional jerárquica que facilita la transcripción de ciertos genes y la replicación del genoma en su conjunto. Las relaciones espaciales y la topología de estas conformaciones cromosómicas son una de las grandes incógnitas de la biología moderna. Por primera vez se ha logrado reconstruir la conformación tridimensional completa de los cromosomas en el núcleo de una célula, en concreto, de la levadura de la cerveza (Saccharomyces cerevisiae). Como muestra la figura en 3D, la estructura es realmente sorprendente. Destaca el cromosoma XII, que adopta una topología casi inimaginable (en verde, indicada por la flecha blanca). Esta conformación parece impedir la interacción entre las secuencias de ADN de sus dos extremos. Otros cromosomas también presentan un plegamiento que podría ser responsable de ciertas interacciones intracromosómicas e intercromosómicas. Este trabajo, que se publica en Nature, nos indica que la relación entre forma y función, ampliamente documentada en proteínas, es capital también en los genomas eucariotas. Ahora sólo falta entender para qué sirve cada pliegue descubierto en este compleja estructura. Un gran reto para los próximos lustros. El artículo técnico es Zhijun Duan et al., “A three-dimensional model of the yeast genome,” Nature, Advance online publication, 2 May 2010. Los biólogos no pueden obviar la consulta de las 80 páginas de información suplementaria, donde se indica la conformación tridimensional de cada cromosoma por separado, así como su interacción topológica con sus vecinos. Los que además quieran disfrutar de la figura que abre esta entrada en 3D deberán descargar el fichero en formato PDB (Protein Data Bank) que se puede visualizar con muchos programas, como RasMol.

No hay que perderse el webcast del CERN sobre el estado actual de todos los detectores del LHC

El interés que ha despertado y despierta el estado actual del LHC en todos nosotros, hace que desde el CERN ciertas reuniones internas sean retransmitidas mediante webcast en directo. Mañana, miércoles 5 de mayo, de 9:00 a 16:30 en el Auditorio Principal del CERN podremos asistir al “101st LHCC Meeting Agenda, Open Session I.” El estado de los detectores CMS, ATLAS y LHCb nos lo contarán entre las 9:00 y las 11:00 horas, y el estado de ALICE, TOTEM y LHCf entre las 11:20 y las 13:00 horas. Por la tarde, entre las 14:00 y las 16:30 horas nos hablaran de la nueva física que podrá descubrir el LHC en los próximos dos años. El jueves será la “Open Session II,” el día de las mesas redondas (cada una de 1 hora de duración). Por la mañana, sobre CMS, ATLAS, LHCb y ALICE y por la tarde sobre TOTEM, LHCf y LCG. Más información en Katie Yurkewicz, “LHC Update: May 3, 2010,” Symmetry breaking, May 3, 2010.

Nos contarán muchos detalles sobre lo que ha pasado desde las primeras colisiones a 7 TeV el 30 de marzo de 2010. Ya sabemos que las primeras colisiones fueron muy poco luminosas. A plena potencia los haces de protones del LHC contienen 2808 paquetes (bunches) cada uno con unos 100 mil millones de protones. Sin embargo, en las primeras colisiones sólo contenían 4 paquetes, cada uno con unos millones de protones. La luminosidad (número de colisiones en los detectores) del LHC estos primeros días fue muy baja. Hace un par de semanas se logró incrementar la luminosidad  en un factor de 10 gracias a la optimizar varios parámetros en los haces de protones (técnicamente, un factor de 5 gracias al beam squeezing y un factor de 2 gracias a nuevo esquema optimizado basado en 3 bunches). Como nos cuentan en “LHC progress report,” CERN Bulletin, el fin de semana pasado se batió el récord de colisiones sostenidas durante 30 horas a una luminosidad de 1’1 × 10²⁸ cm^-2 s^-1 (en los cuatro experimentos principales del LHC).

Los datos de las colisiones han sido sistemáticamente analizados y reanalizados, aunque por ahora ofrecen pocas sorpresas. Como ya sabemos y nos recuerdan en “It’s time for physics,” CERN Bulletin, se observaron los primeros bosones vectoriales W en el detector ATLAS el 6 de abril (partículas que fueron descubiertas en el experimento UA1 del CERN en 1983) y los primeros mesones B en el detector LHCb el 21 de abril (partículas descubiertas en el experimento E288 del Fermilab en 1977).

Habrá que esperar a mañana para enterarnos de más detalles adicionales.

Misteriosa vibración de 8 kHz en los haces de partículas del LHC del CERN por causa aún desconocida

Un misterio que está quitando el sueño a algunos físicos y técnicos del LHC del CERN. Los haces de protones vibran con una frecuencia de 8ooo Hz por una causa aún desconocida. Para obtener el máximo rendimiento en las colisiones hay que lograr que este molesto ruido de fondo desaparezca. Cada parada técnica de la máquina es aprovechada por los técnicos para analizar exhaustivamente el problema. El 12 de enero de 2010 se pensaba que la causa sería encontrada rápidamente. Ya estamos en mayo y todavía no ha sido encontrada. Habrá que esperar a la próxima parada técnica a finales de mes. Muchos creen que la causa está relacionada con los sistemas de protección instalados en la máquina el año pasado (sistema UPS). Pero hasta que no sepa cuál es exactamente la causa, no podrá ser resuelta. Para los interesados en más detalles técnicos, la figura de arriba muestra el espectro de las vibraciones  de los haces, donde se ve claramente el pico a 8 kHz, o Q = 0’2886, junto a varios picos residuales y una excitación más ancha alrededor de Q=0’31; más información técnica en Ralph J. Steinhagen, “PERFORMANCE AND LHC BEAM STABILITY ISSUES RELATED TO Q/Q’ DIAGNOSTICS AND FEEDBACK SYSTEMS,” The LHC beam commissioning workshop, 19-20 January 2010, Evian, France. La causa todavía no ha sido encontrada como nos han contado en “FINITO IL PIT STOP DI LHC,” LHC Italia, 29 Aprile 2010, haciéndose eco de las palabras de Fabio Formenti, responsable de los sistemas de protección del LHC: “Purtroppo il tempo a disposizione non ci ha consentito di scoprire se il misterioso rumore a 8 Kilohertz che disturba il fascio derivi o meno dal sistema di quenching. Per chiarire questo puzzle dovremmo aspettare la pausa per la manutenzione del prossimo mese”.

El monopolo magnético y un inolvidable día de San Valentín para el físico español Blas Cabrera

En el LHC del CERN no sólo se busca a la partícula de Higgs, también se buscan otras partículas exóticas. El experimento MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) busca partículas altamente ionizantes, como el monopolo magnético. El físico James L. Pinfold y su equipo busca repetir lo que le ocurrió a las 14:00 horas del 14 de febrero de 1982 al físico español Blas Cabrera en la Universidad de Stanford. Un monopolo magnético atravesó el detector criogénico superconductor que había puesto a punto tras tres duros años de trabajo. Hoy, casi 30 años más tarde, ningún otro monopolo magnético ha dado señales de su existencia. La mayoría de las extensiones del modelo estándar a alta energía son mucho más simétricas que el modelo estándar, por lo que predicen la versión más simétrica posible de las ecuaciones de Maxwell, que incluye la existencia de partículas elementales con un solo polo magnético. Esta simetría debe estar rota ya que todavía no se ha observado ningún monopolo magnético, por lo que, de existir, los monopolos magnéticos tienen que ser muy pesados (del orden de 1 TeV). Una entrada tan optimista como “Monopolos, de aquí a un año,” Tu Anciana Abuela, 26 de marzo de 2010, me ha recordado que hace tiempo que no hablamos de monopolos magnéticos en este blog. Permitidme algunos comentarios y que os recomiende un artículo sobre los físicos que buscan desesperadamente lo que quizás nunca se encuentre, Geoff Brumfiel, “Physics: The waiting game,” News Feature, Nature 429: 10-11, 6 May 2004.

En 1931, el genial físico teórico P.A.M. Dirac estudió el origen cuántico de la cuantización de la carga eléctrica y descubrió, para su sorpresa, que la versión cuántica de las ecuaciones de Maxwell predecía de forma natural la aparición de un carga magnética elemental o monopolo magnético. La carga magnética igual que la carga eléctrica está cuantizada y cumple la relación g = n ħ c/(2 e) = n g_D, para n = 1, 2, …, donde g_D = ħ c/(2e) = 68’5 e, es llamada unidad de carga magnética de Dirac. Si existe el monopolo magnético las ecuaciones de Maxwell serán más simétricas, pero no totalmente simétricas ya que e ≠ g. Sin embargo, a alta energía, e = g, en todas las extensiones del modelo estándar que predicen la existencia de monopolos magnéticos (como en ciertas teorías de gran unificación, GUT, teorías supersimétricas, SUSY, teorías de cuerdas, etc.). ¿Por qué no se observan a baja energía monopolos por doquier? Dirac predijo que el monopolo magnético debería ser una partícula elemental con gran masa (masa que ninguna teoría actual es capaza de predecir). Si el radio clásico del monopolo es igual al radio clásico del electrón, r_M = g²/(m_M c²) = r_e = e²/(m_e c²), obtenemos m_M = g² m_e/e² ≈ 4700 n m_e = n 2’4 GeV/c². Esta masa es relativamente grande pero con toda seguridad la masa de los monopolos magnéticos, de existir, es mucho más grande aún.

Según la página web de MoEDAL, los experimentos del LEP2 en el CERN excluyen un monopolo magnético con masa inferior a 120 GeV y los experimentos del Fermilab uno con una masa inferior a 850 GeV. Aunque según el Particle Data Group, el experimento L3 del LEP2 en el CERN excluyó un monopolo magnético con masa inferior a 510 GeV (95% C.L.) y DZero del Fermilab excluye un monopolo magnético de espín cero con masa inferior a 610 GeV, de espín un medio con masa inferior a 870 GeV, y con espín uno con masa inferior a 1580 GeV. La producción de un monopolo magnético en el LHC con colisiones a 7 TeV parece extremadamente difícil. Por ello yo no comparto el optimismo de Tu Anciana Abuela sobre la posibilidad de que MoEDAL encuentre monopolos magnéticos en los próximos dos años. Habrá que esperar como pronto a las colisiones a 14 TeV en el LHC previstas para 2013.

Para los físicos que se dedican a la búsqueda de los monopolos magnéticos, la búsueda es como una droga, como la búsqueda del Santo Grial. En palabras de Giorgio Gratta, compañero en Stanford de Cabrera, la búsqueda de los monopolos “es como una droga: te vuelves adicto y no puedes abandonarla.” A pesar de los reveses de financiación y algunas falsas alarmas ocasionales, muchos de esos físicos logran una carrera exitosa, aun cuando sus detectores no registren una sola partícula. Por ejemplo, Blas Cabrera publicó su descubrimiento en la prestigiosa revista Physical Review Letters, como único autor (Blas Cabrera, “First Results from a Superconductive Detector for Moving Magnetic Monopoles,” Phys. Rev. Lett. 48: 1378–1381, 17 May 1982; citado más de 250 veces). En el artículo Cabrera no afirma haber encontrado un monopolo. Sólo describe lo que observó su detector. Un descubrimiento problemático donde los haya. Su detector observó una sola vez y solamente una vez lo que la teoría predecía que se observaría si lo atravesaba un monopolo magnético. Llaman matagatos a quien mató una vez a un gato, pero en física no se llama descubridor a quien observa algo por primera y única vez. Hay que repetir la observación. El experimento de Cabrera nunca más observó un monopolo. Sus experimentos posteriores tampoco. Conforme pasan los años, hasta el mismo Cabrera reconoce que las posibilidades de que su primera observación fuera un monopolo disminuyen.

 ”We never again saw an event like this one in any of the individual instruments. It seemed less and less likely that the one event we saw was a monopole.” Blas Cabrera.

¿Por qué el interés en buscar monopolos magnéticos? Porque surgen en la mayoría de las extensiones del modelo estándar a alta energía por una razón matemática (topológica) bastante general. Si a alta energía tenemos una teoría gauge con un grupo de simetría G que a baja energía está rota, con una vacío con menor simetría, sea el grupo cociente G/H, entonces existen soluciones no lineales de la teoría, llamadas solitones o defectos, cuando los grupos de homotopía fundamentales son no triviales, π_n(G/H)≠0. Estos defectos son paredes de dominio (rizos o kinks) para n=0, vórtices (cuerdas) para n=1, y monopolos para n=2. Sabemos que el modelo estándar es una teoría “efectiva” y que debe haber una teoría más simétrica a mayor energía de la que se ha alcanzado hasta el momento en los aceleradores de partículas en la Tierra. Por ello, en la gran explosión (el big bang) tuvieron que generarse gran número de monopolos magnéticos y quizás uno de ellos atravesó el detector de Cabrera. Su experimento y otros similares permite acotar la densidad de monopolos primordiales remanentes tras la gran explosión, por eso su trabajo, aunque conduzca a resultados negativos, es muy importante para los físicos teóricos.

Los interesados en más información sobre el experimento MoEDAL disfrutarán con el siguiente vídeo explicativo.

A principios de los 1990, Cabrera cambió ligeramente de tema de investigación y se puso a buscar partículas de materia oscura. Su búsqueda criogénica de materia oscura (CDMS o Cryogenic Dark Matter Search) ha acabado con dos eventos candidatos a finales del año pasado (anuncio oficial y publicación en Science). Espero que la historia no se repita y dichos eventos sean confirmados en un futuro no muy lejano. En este sentido, os recomiendo el vídeo de la estupenda conferencia de Blas Cabrera, “Future of CDMS: SuperCDMS Soudan, SuperCDMS SNOLAB & GEODM DUSEL + iZIP Huge Detector Advance,” KITP, Dec 18, 2009, en el marco del “KITP Miniprogram: Direct, Indirect and Collider Signals of Dark Matter (December 7-18, 2009),” coordinado por Nima Arkani-Hamed, Douglas Finkbeiner, y Neal Weiner.

Por cierto, el padre de Blas, Nicolás Cabrera (1913-1989), que pasó muchos años exiliado en EEU.UU. durante la dictadura que asotó nuestro país, regresó a España y fundó en 1971 el departamento de ciencias físicas en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) donde impartió clases. Cabrera, padre, es considerado el gran impulsor de la física en España desde su vuelta del exilio. El Instituto Nicolás Cabrera, fundado en 1989 en la UAM, lleva su nombre como homenaje.

El día del trabajo no hay que trabajar, pero se puede disfrutar de “Pigs in Space!”

Visto en Sean, “Higgs in Space!,” Cosmic Variance, December 1st, 2009.

La materia oscura galáctica no puede explicar las observaciones de PAMELA, ATIC, Fermi y HESS

El espectro de energía de los positrones observados en los rayos cósmicos por experimentos como PAMELA, ATIC, Fermi y HESS en el rango de energías 10 GeV a unos pocos TeV excede todo origen astrofísico plausible, por lo que se proclama que su origen es la desintegración de la materia oscura de nuestra galaxia. Sin embargo, hay un problema. Si la materia oscura son partículas tipo WIMP o similares (X en la figura), reliquias del origen del universo, deben estar en equilibrio térmico rodeando de forma esférica nuestra galaxia. En dicho caso, la tasa de aniquilación que resulta es entre 2 y 3 órdenes de magnitud más pequeña de la necesaria para explicar los resultados experimentales. La única solución es asumir que las partículas de materia oscura interactúan con una nueva fuerza desconocida lo que provocaría un incremento en su tasa de aniquilación mediante el mecanismo de Sommerfeld. ¿Explica este mecanismo los resultados experimentales? Un nuevo artículo de Jonathan L. Feng, Manoj Kaplinghat, y Hai-Bo Yu, todos de la Universidad de California en Irvine, muestran que el mecanismo de Sommerfeld por sí solo no puede hacerlo. Un duro varapalo a la interpretación de estas observaciones experimentales como originadas por la materia oscura. El nuevo cálculo está basado en las hipótesis más sencillas posibles, por lo que los autores opinan que es pesimista (en sus palabras, conservativo), en el sentido de que mejoras en dicho cálculo lo único que harán es empeorar sus resultados alejándolos de las observaciones experimentales. ¿Alguna solución? Según los autores las únicas soluciones son que la materia oscura aparte de partículas sea otra cosa que desconocemos, o que los modelos cosmológicos del origen del universo que predicen la cantidad de materia oscura son incorrectos, o que el halo de materia oscura de nuestra galaxia tiene una forma especial en nuestro entorno que hace que recibamos más positrones de los que en promedio recibe cualquier otra región de nuestra galaxia. Un gran problema para los modelos que tratan de explicar la materia oscura como partículas elementales que el LHC del CERN será capaz de observar. La materia oscura nos enseña cada día más lo poco que sabemos sobre ella. Un interesante artículo técnico, para físicos y astrofísicos, Jonathan L. Feng, Manoj Kaplinghat, Hai-Bo Yu, “Halo-Shape and Relic-Density Exclusions of Sommerfeld-Enhanced Dark Matter Explanations of Cosmic Ray Excesses,” Phys. Rev. Lett. 104: 151301, 15 April 2010 [gratis en ArXiv]. Recomiendo sobre este artículo la sinopsis de Stanley Brown, “Trouble for dark matter explanations of excess cosmic positrons,” Physics, April 16th, 2010.

Físicos españoles utilizan la teoría de cuerdas para calcular la radiación de Cherenkov mesónica en un plasma de quarks y gluones

Una partícula con carga eléctrica que atraviesa un medio a una velocidad superior a la velocidad de la luz en dicho medio produce radiación de Cherenkov (Čerenkov) gracias a que aparece una onda de choque que emite fotones polarizados. Un quark que atraviesa un plasma de quarks y gluones también puede emitir radiación de Cherenkov pero formada por gluones en lugar de fotones. Físicos españoles han demostrado que dicho quark también puede emitir mesones (pares quark-antiquark sin carga de color total) cuando este plasma se comporta como un líquido, en el régimen de acoplamiento fuerte. Lo sorprendente de su trabajo es que han calculado esta radiación utilizando un modelo de teoría de cuerdas, con agujeros negros y cuerdas entre D-branas. Los quarks y gluones tienen sólo 3 colores, pero los físicos españoles han aprovechado que una teoría de quarks con infinitos colores se puede estudiar utilizando la teoría de cuerdas. Como los mesones emitidos no tienen color (son neutros porque el color del quark se compensa con el anticolor del antiquark), se pueden estudiar en el marco de una teoría con infinitos colores Nc→∞, como si su color “efectivo” fuera 1/Nc→0. La energía que emite (pierde) el quark mientras atraviesa el plasma a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en dicho plasma se modela como la energía depositada en la D-brana por una cuerda cuyos dos extremos acaban en dicha D-brana. Esta energía permanece en la D-brana y gracias a una analogía con una agujero negro se puede calcular su valor. En un modelo dual gauge-gravedad, esta energía es exactamente igual a la radiación Cherenkov mesónica que emitiría el quark. La ventaja de la teoría de cuerdas es que el régimen de acoplamiento fuerte entre quarks se transforma a una régimen de acoplamiento débil en las D-branas, lo que posibilita el cálculo exacto de la energía emitida. Un interesantísimo trabajo que los físicos podrán disfrutar en Jorge Casalderrey-Solana, Daniel Fernández, David Mateos, “New Mechanism for Quark Energy Loss,” Physical Review Letters 104: 172301, 30 April 2010 (versión gratis en ArXiv).

PS (4 mayo 2010): Como no podía ser menos, se han hecho eco de este artículo de físicos españoles en Physics, en concreto Abhishek Agarwal, “A flash in the quark gluon plasma,” Synopses, May 3, 2010.