La asimetría entre materia y antimateria

El modelo estándar no explica adecuadamente la asimetría entre materia y antimateria que el modelo de la gran explosión predice. La parte explorada experimentalmente del modelo estándar muestra una violación de la simetría CP que no es suficiente para explicarla. Sin embargo, todavía quedan muchos recodos en el modelo estándar que no han sido explorados con detalle donde se podría ocultar más violaciones de dicha simetría y quizás allí se encuentre la razón por la cual existimos y no nos hemos aniquilado en el pasado al confrontarnos con la antimateria primordial que se generó en la gran explosión. En los últimos años nuestro conocimiento de la asimetría CP en el modelo estándar ha dado pasos de gigante gracias a los resultados de los experimentos con fermiones, Belle, Babar y CLEO-c, y con hadrones, CDF y DZero, como nos resume Michal Kreps (KIT), “Beauty physics (experiment),” 11 June 2010 [slides pdf]. Una presentación bastante buena del problema es James M. Cline, “El origen de la materia. Aún no sabemos por qué la materia dominó a la antimateria en la formación del universo,” Investigación y Ciencia, 49-57, junio, 2005. Permitidme el lujo de extraer algunos párrafos de dicho artículo. Los amantes de información más técnica pueden recurrir al interesante curso de James M. Cline, “Baryogenesis,” ArXiv, 15 Sep 2006 (63 pages), Lectures at Les Houches Summer School, 7-11 Aug. 2006. Los que tengan mejor memoria auditiva que visual seguramente necesiten a alguien que se lo cuente en vivo y en directo. Os recomiendo las dos charlas de Hitoshi Murayama (University of California, Berkeley) “Baryon Asymmetry of the Universe,” Academic Training Lecture Regular Programme, CERN 2009-2010 [Primer Video y Segundo Video]. Por cierto, en el primer vídeo saltaros los primeros 9:00 minutos en los que Murayama hace publicidad de su propio instituto en Japón.

“Se cree que había la misma cantidad de materia y de antimateria en los primeros momentos tras la gran explosión (big bang). Como la materia y la antimateria se aniquilan la una a la otra, ¿por qué prevaleció la materia y llegó a dominar el universo? La materia de que estamos hechos consta sobre todo de protones y neutrones, llamados bariones, que se componen de partículas menores, los quarks. Faltan bariones en el universo. Por cada barión hay diez mil millones de fotones (partículas de luz). La asimetría bariónica del universo es el número de bariones dividido por el número de fotones y vale (6’21±0’16)×10^–10 (según WMAP-7). Este pequeño número se calcula gracias a las mediciones precisas de las pequeñas fluctuaciones de la temperatura de la radiación cósmica de microondas. La asimetría bariónica permanece constante a lo largo del tiempo, pese a que el universo se va expandiendo y diluyendo.

La inflación es una variante de la teoría de la gran explosión del universo, corroborada por las mediciones del fondo cósmico de microondas. La inflación consistió en un período de expansión exponencialmente rápida en los primeros momentos del universo. La inflación explica por qué las fluctuaciones de temperatura del fondo de microondas son pequeñas (del orden del 0,001 por ciento), pero no exactamente cero: fluctuaciones cuánticas de este tamaño se producen de manera natural durante la inflación. Para que la asimetría barión-antibarión se hubiese creado antes de la fase final de la inflación, o “recalentamiento”, su valor inicial tendría que haber sido enorme: 10⁶⁹. La inflación hace muy probable que la asimetría bariónica requiera una explicación dinámica.

Se sabe que la asimetría bariónica del universo no puede explicarse en el marco de las teorías hoy aceptadas. Algo sucedió en el universo primitivo que provocó esta diferencia. A medida que el universo se enfrió tras la inflación, los protones y los neutrones se fueron uniendo y formaron los núcleos atómicos de los elementos ligeros: el helio, el litio y el deuterio, isótopo del hidrógeno. Se formaron a los pocos minutos de la gran explosión, en la etapa que recibe el nombre de “nucleosíntesis de la gran explosión”. La teoría de la gran explosión predice correctamente, una vez se ha elegido un valor para la asimetría bariónica del universo, las proporciones de todos los elementos ligeros que se generaron durante la nucleosíntesis (primordial) de la gran explosión.

Los físicos rusos Andrei Sajarov y Vadim Kuzmin identificaron entre 1967 y 1970 las condiciones que una explicación de la asimetría entre materia y antimateria debe satisfacer. Las  tres condiciones que deben satisfacerse para que la bariogénesis tenga lugar son: (1) el número bariónico no se debe conservar (debe haber interacciones que cambien el número del bariones del universo); (2) deben violarse dos simetrías que relacionan partículas con antipartículas; y (3) debe haber una pérdida de equilibrio termodinámico.

La primera ley de Sajarov, la violación del número bariónico, se puede dar de varias formas. Lo más sencillo es que existan partículas hipotéticas cuya probabilidad de desintegración en cierta forma es distinta entre la partícula y su antipartícula. La evidencia experimental actual afirma que no existen en el modelo estándar tales partículas (aunque los mesones B neutros y los mesones T neutros podrían serlo). Más allá del modelo estándar hay muchas posibilidades. Las teorías de gran unificación o GUT predicen la existencia de los bosones X. Si la partícula X sigue un cierto proceso de desintegración el 51 % de las veces, mientras que su antipartícula solo el 49 %, esta asimetría provocaría rápidamente un exceso de bariones. Sin embargo, ¿hay alguna explicación que no requiera nuevas partículas dentro del modelo estándar? Sí, oculta en el modelo estándar también existe física que viola el número bariónico, pero es algo muy técnico que no se ha confirmado experimentalmente, aunque pocos teóricos dudan de su validez. El número bariónico se viola en el modelo estándar de la física de partículas por medio de cierto proceso, el esfalerón (del griego “caer”). Cierta interacción predicha por el modelo estándar que involucra nueve quarks y tres partículas ligeras de la clase de los leptones. Fue descubierto como resultado matemático en 1984 por Frans Klinkhamer y Nicholas Manton, pero su existencia no está confirmada en los grandes aceleradores de partículas.

La segunda ley de Sajarov indica que no basta con la violación de un tipo de simetría sino dos. Una de las simetrías (discretas) de las partículas es la conjugación de carga (C), la transformación de una partícula en su antipartícula. Otra es la paridad (P), que transforma una partícula dextrógira en una partícula levógira y, por lo tanto, con espín opuesto (matemáticamente esta operación cambia el signo de las coordenadas espaciales de un sistema y crea una imagen especular). La combinación de las dos transformaciones se conoce como CP. Si la simetría CP se hubiese satisfecho durante toda la historia del universo, la única asimetría de partículas que crearíamos sería entre quarks levógiros y antiquarks dextrógiros, más una asimetría igual y opuesta entre quarks dextrógiros y antiquarks levógiros. Por desgracia, la asimetría total entre quarks y antiquarks sería aún nula. Hasta 1964 se creía que CP era una simetría exacta. Se descubrió que dos partículas supuestamente distintas resultaron ser una misma, el kaón. Se demostró que el kaón neutro se desintegraba en estados con diferentes valores de CP. Esta violación de CP en las desintegraciones de los kaones es tan débil que ni siquiera puede crear una asimetría bariónica tan pequeña como la que se observa. Se espera que se descubran fuentes mayores de violación de CP en el modelo estándar en los mesones B (pares de quark-antiquark bottom) y en los mesones T (pares de quark-antiquark top).

La tercera ley de Sajarov es la más técnica y quizás la más difícil de explicar. La teoría electrodébil a altas temperaturas indica que en el universo primitivo se formaron burbujas a medida que el universo se enfriaba. Fuera de las burbujas las partículas carecían de la masa que tienen de ordinario. Solo dentro de las burbujas las partículas recuperaban sus masas y generan la física que conocemos. Las burbujas se expandieron hasta que por fin eliminaron la fase exótica sin masa mediante una “transición de fase de primer orden”. Los esfelarones, la fuente de la violación del número bariónico dentro del modelo estándar, son mucho más débiles dentro de las burbujas (en el reino de la física ordinaria) que a extramuros de las mismas. La violación bariónica es fuerte fuera de las burbujas y mucho más débil dentro. Los esfalerones quedan fuera del equilibrio en el interior de la burbuja porque actúan con lentitud mayor dentro de la burbuja que fuera de ella. Si no ocurriera así los esfalerones del interior de la burbuja destruirían la asimetría bariónica creada por los que están fuera. La intensidad de la transición de fase depende, en el modelo estándar, de la ligereza de ciertas partículas: el bosón de Higgs y el quark “cima”. Pero son partículas bastante pesadas; en consecuencia, la transición de fase electrodébil resulta demasiado débil para explicar la bariogénesis, a no ser que se añadan nuevos principios físicos hipotéticos.

Las tres condiciones de Sajarov no pueden satisfacerse dentro del modelo estándar (quizás dos de ellas, pero no las tres). Se necesita física más allá, como la supersimetría, o SUSY, que nació en 1970. SUSY extiende las simetrías que caracterizan las familias de partículas del modelo estándar y establece que, para cada clase conocida de partícula (los quarks y los leptones) existe una supercompañera. No se han descubierto aún tales partículas; por tanto, se cree que tienen masas grandes. SUSY logra explicar la pequeñez de la masa de la partícula de Higgs. Además, las nuevas partículas predichas por la supersimetría aumentan la intensidad de la transición de fase electrodébil en el interior de cada burbuja de fase masiva. SUSY proporciona nuevas fuentes de violación de CP, más intensas que los procesos demasiado débiles del modelo estándar. Aún así, la mayoría de los expertos considera hoy que la versión mínima de la bariogénesis electrodébil basada en la supersimetría es muy improbable.

Hay otras posibilidades como la bariogénesis vía leptogénesis. Aunque la teoría electrodébil no puede satisfacer fácilmente con bariones las tres condiciones de Sajarov, no resulta difícil adaptar el argumento para crear una asimetría de otras clases de partículas, en concreto la de los leptones, que incluye electrones, muones, partículas tau y neutrinos. Se puede establecer una asimetría entre neutrinos y antineutrinos. En los esfalerones participan tanto leptones como quarks. Por esta razón, es casi imposible crear una asimetría leptónica a altas temperaturas sin que se convierta, al menos parcialmente, en una asimetría bariónica. Los neutrinos tienen masas no nulas. Las masas conocidas de los neutrinos podrían cumplir los requisitos de la leptogénesis. Si hay una asimetría entre ciertos leptones y sus antipartículas, los procesos esfalerónicos pueden convertir la asimetría leptónica en una asimetría bariónica. La interacción esfalerónica vendría a ser como abrir una válvula que igualase la asimetría leptónica y la bariónica. Los estudios relativos a los neutrinos, los leptones más fantasmagóricos, han aportado pruebas de que tienen masa, lo que ha alimentando el interés en la leptogénesis en cuanto clave de la bariogénesis. En tal caso, los objetos de mayor masa del universo se habrían originado gracias a las partículas más etéreas que se conocen.”

El espacio-tiempo, el tiempo-espacio, el cronotopo y la novela

TED Talks: Natalie Merchant revive viejos poemas.

“El cronotopo (literalmente, tiempo espacio) es la conexión intrínseca de las relaciones temporales y espaciales que se expresa artísticamente en una novela. Este término, introducido como parte de la Teoría de la Relatividad de Einstein, se ha incorporado a la literatura y al análisis de textos. Expresa la inseparabilidad del tiempo y del espacio (el tiempo como cuarta dimensión del espacio) y constituye la columna vertebral de cualquier narración. El cronotopo es el lugar en que los nudos de la narración se atan y se desatan. Puede decirse sin ambages que a ellos pertenece el sentido que da forma a la narración. El tiempo se vuelve efectivamente palpable y visible; el cronotopo hace que los eventos narrativos se concreticen, los encarna, hace que la sangre corra por sus venas.”

“El concepto de cronotopo se puede extender más allá de la literatura, pues existen cronotopos de la vida real, es un elemento fundamental de la vida social. El presente, y sobre todo el pasado, son enriquecidos a expensas del futuro. El cronotopo puede representarse como un camino que integra perfectamente el tiempo y el espacio en una sola línea continua. El camino implica un recorrido, y ese recorrido es tan lineal como él mismo: se parte de un extremo del camino (el inicio) para llegar a otro (la meta). La fuga al futuro.”

Traducción de Mijail Bajtin, “Forms of Time and of the Chronotope in the Novel. Notes towards a Historical Poetics”, en “The Dialogical Imagination. Four Essays by M. M. Bakhtin,” University of Texas Press, pp. 84-258 (1981). Traducción de Federico Navarrete Linares, “Diálogo con M. Bajtin sobre el cronotopo.”

La materia oscura y su búsqueda en el LHC del CERN

TED Talks: Patricia Burchat arroja luz sobre la materia oscura.

Sabemos mucho sobre la materia oscura. Sabemos que forma el 23’2 ± 1’3 % del universo. Sabemos que el Modelo Estándar de la física de partículas elementales no la explica. Sabemos con bastante seguridad que no es materia bariónica y que no son MACHOS (Macroscopic Astrophysical Halo Objects). Creemos que la materia oscura está formada por partículas elementales más allá del modelo estándar. Podría ser materia oscura caliente, partículas elementales de baja masa que se mueven a velocidad próxima a la velocidad de la luz, como neutrinos estériles, gravitinos, etc., pero la evidencia apunta más hacia la materia oscura fría, partículas elementales de gran masa, como los WIMPs (LSP, LKP, etc.), axiones, etc. La mayoría de los físicos teóricos y experimentales apuesta por las WIMP (Partículas Masivas Débilmente Interactivas) con una masa en la escala de energías de la ruptura de la simetría electrodébil, la escala de energías que será explorada por el LHC del CERN. Por ello muchos físicos creen que el LHC acabará encontrando nuevas partículas candidatas a ser materia oscura, pero como nos recuerda Graciela Gelmini, “Theory of dark matter,” Physics at the LHC, June 12, 2010 [vídeo y slides pdf], el LHC del CERN no ha sido diseñado para buscar la materia oscura y hay muchos experimentos actualmente en desarrollo (como CDMS, XENON, DAMA, etc.) que están realizando una búsqueda directa de la materia oscura (Laura Baudis (Univ. Zurich) en ”Direct dark matter searches,” Physics at the LHC, June 12, 2010 [vídeo y slides pdf], nos resume los resultados de estos experimentos a fecha de principios de 2010 y los experimentos planificados para el futuro cercano) y muchos otros experimentos (como HESS, VERITAS, PAMELA, ATIC, AMS, etc.) que están realizando búsquedas indirectas (Werner Hofmann (MPI Heidelberg) en “Highlights from astroparticle physics,” Physics at the LHC, June 12, 2010 [vídeo y slides pdf], nos resume los resultados de estos experimentos a fecha de principios de 2010).

La genética, la estatura y el problema de la herencia perdida

La estatura de una persona es un gran problema para los genetistas. La altura se hereda. La altura de nuestros padres predice el 80–90% de nuestra estatura. La búsqueda en el genoma de las marcas genéticas asociadas a la estatura no ha tenido éxito. Se han encontrado unas 50 variantes asociadas a la altura, pero solo dan cuenta del 5% de la herencia de la estatura. Este problema no se reduce solo a la altura. Muchos caracteres (fenotipos) humanos que sabemos que se heredan tienen el mismo problema: no sabemos qué es exactamente lo que se hereda, las marcas genéticas de esta herencia (polimorfismos de un solo nucleótido o SNP). Los genetistas le llaman el problema de la “herencia perdida” (de forma coloquial “el cuento chino de la herencia”). Un nuevo estudio, publicado en Nature Genetics y dirigido por el australiano Peter Visscher, sugiere que este problema no tiene solución (han encontrado 294831 SNP asociados a la altura en 3925 individuos). El fenotipo depende de un enorme número de pequeñas variantes genéticas que tienen pequeños efectos que se acumulan de forma constructiva. El genetistas aplican un corte estadístico a la significación de un SNP en un fenotipo determinado. El nuevo estudio indica que dicho corte descarta muchos SNP que son importantes. El nuevo estudio en lugar de considerar los SNP uno a uno, utiliza un análisis estadístico de conjunto de SNP. En relación a la altura han encontrado conjuntos que explican hasta el 45% de la variación genética en la altura. El gran problema de este tipo de estudios de conjunto de SNP en lugar de SNP individuales es que requieren muestras de genomas enormes, cientos de miles de genomas, para lograr un buen resultado, lo que encarecde mucho estos estudios. El problema de la “herencia perdida” se nos antoja mucho más complicado de lo esperado. Nos lo ha contado Alla Katsnelson, “Genetics tells tall tales. The genetic basis of common traits may be buried deeper than researchers had thought,” News, Nature 465: 998, 21 June 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Jian Yang et al, “Common SNPs explain a large proportion of the heritability for human height,” Nature Genetics 42: 565–569, 20 June 2010.

Los estudios de asociación entre rasgos humanos complejos o enfermedades (fenotipos) y genomas completos (estudios GWAS o genome-wide association studies) están limitados por el tamaño de las muestras utilizadas. Un estudio de Park et al. sobre el tamaño de estas muestras afirma que se requiere como mínimo el análisis de 50000 genomas para obtener resultados significativos. La estimación se basa en los estudios GWAS asociados a la altura, la enfermedad de Crohn y el cáncer de mama, próstata y colon. Un estudio genético de cientos de miles de casos tiene un coste tan alto que no parece probable que vayan a ser emprendidos en un futuro cercano. Dada la complejidad del genoma, secuenciar nuestro propio genoma, un servicio que ofrecen muchas empresas, tiene poca utilidad en estos momentos ya que seguirá siendo difícil detectar en dicho genoma rasgos que caractericen nuestro fenotipo de forma clara y unívoca. Nos lo ha contado Greg Gibson, “Hints of hidden heritability in GWAS,” Nature Genetics 42: 558–560, 20 June 2010, haciéndose eco del artículo ya mencionado de Jian Yang et al. y del de Ju-Hyun Park et al., “Estimation of effect size distribution from genome-wide association studies and implications for future discoveries,” Nature Genetics 42: 570–575, 20 June 2010.

El bosón Z prima tiene masa mayor de 1071 GeV/c²

El evento más energético observado en el CDF del Tevatrón en el Fermilab (882 GeV/c2)

Una de las ventajas del modelo estándar mínimo es lo fácil que es añadir nuevas partículas elementales caso de que sean encontradas. Estudiar las propiedades de estas hipotéticas partículas, asumiendo ciertas propiedades (cargas) y ciertos modos de desintegración, permite buscarlas casi a tiro fijo (ignoramos su masa). Los dos experimentos CDF y DZero del Tevatrón del Fermilab, Chicago, EEUU, están buscando muchas de estas partículas. Una búsqueda del bosón vectorial Z prima en CDF con 4’6 fb^-1 de colisiones indica que su masa es mayor de 1076 GeV/c². Con qué comparar este número. Con el mejor límite anterior de CDF, cuando solo tenía 2’3  fb^-1 de colisiones, que era de 982  GeV/c², por lo que el límite ha mejorado bastante. Con una masa tan grande encontrarlo en el LHC del CERN va a requerir tiempo, mucho tiempo. Lo único bueno para los europeos es que con una masa tan grande es virtualmente imposible que los norteamericanos lo encuentren. Nos lo ha contado Tommaso Dorigo, “Z’ Bosons: The Dream Moves Away,” A Quantum Diaries Survivor, July 3rd 2010, haciéndose eco del artículo técnico de la The CDF Collaboration, “Search for high mass resonances decaying to muon pairs,” CDF.FNAL.GOV, May 30, 2010. El mejor límite anterior se publicó en The CDF Collaboratioin (T. Aaltonen, et al), “A search for high-mass resonances decaying to dimuons at CDF,” Phys. Rev. Lett. 102: 091805, 2009 [gratis en ArXiv]. Obviamente, hay varios modelos teóricos que predicen bosones Z prima y para cada uno el límite inferior de masa es diferente. Abajo tenéis una figura que incluye como inciso la tabla con alguno de dichos valores, todos mayores de 817 GeV/c².

Los físicos teóricos predicen que las capas de invisibilidad para la luz visible deben ser minúsculas

Lo que tiene vivir en (o visitar) Nueva York en EEUU es que puedes comprar cualquier cosa, incluso suministros para verdaderos superhéroes (Brooklyn Superhero Supply Co. está en el número 372 de la Quinta Avenida). Un amigo me ha dicho que si voy a Filadelfia tengo que pasar por Nueva York y comprarle una capa de invisibilidad, pero que no sea como la de Predator. No, no puedo, no porque no quiera, sino porque los físicos teóricos han demostrado que es imposible desarrollar una capa de invisibilidad para luz visible utilizando metamateriales que tenga un tamaño suficiente para cubrir a una persona. Se puede lograr una capa de invisibilidad para una longitud de onda de luz concreta (para cierta luz láser) pero cuando consideramos luz con un espectro ancho (como la luz visible producida por el sol) las cosas cambian completamente. Lo más que se puede conseguir es hacer invisible un objeto minúsculo del tamaño de un punto en un pedazo de papel. Lo afirma Steven Johnson, matemático aplicado del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en Cambridge, EEUU, y sus colegas. Una capa capaz de cubrir un objeto y hacerlo invisible no puede ser mucho más grande que las longitudes de onda en la que trabaja, según un artículo publicado en Physical Review Letters. El estudio teórico de Johnson y sus colegas permite ocultar un objeto bajo iluminación con un espectro ancho solo si el objeto tiene un tamaño comparable a la longitud de onda más larga de la fuente de luz. Por ejemplo, se podría ocultar un objeto del tamaño de un metro para luz con longitudes de onda de microondas. En longitudes de onda ópticas, si su análisis teórico es correcto, es imposible ocultar un objeto tan grande. Un capa de invisibilidad para la luz infrarroja o para la visible no puede ser mayor de unos pocos micrómetros de diámetro. Obviamente, si hubo teóricos que demostraron que era imposible volar, es posible que algún día alguien descubra un fallo en la argumentación de estos teóricos, una puerta trasera hacia la capa de invisibilidad, que caso de existir, tendré que comprarle a mi amigo (en un futuro que asumo lejano). Nos lo ha contado, como no, Adrian Cho, “Physics: Invisibility Cloaks for Visible Light Must Remain Tiny, Theorists Predict,” Science 328: 1621, 25 June 2010, haciéndose eco del artículo técnico de Hila Hashemi, Baile Zhang, J. D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, “Delay-Bandwidth and Delay-Loss Limitations for Cloaking of Large Objects,” Phys. Rev. Lett. 104: 253903, 23 June 2010 [gratis en ArXiv]. Por cierto, uno de los autores,  J. D. Joannopoulos, es uno de los grandes genios en el campo de los cristales fotónicos y óptica no lineal en general, altamente citado y muy prolífico.

PS: Este blog ha entrado en los 10 primeros puestos (este mes es #9) del ranking Wikio de Blogs de Ciencia, encabezado este mes por Fogonazos y Genciencia.

Nuevos límites experimentales a la masa de los leptoquarks

 Muchas teorías de gran unificación (GUT) proponen la existencia de los leptoquarks unas partículas capaces de interactuar con leptones (electrones y neutrinos) y quarks. El experimento DZero del Tevatrón en el Fermilab ha publicado un nuevo límite inferior para la masa de los leptoquarks de tercera generación, que se desintegran en quarks b y leptones tau. Un leptoquark de tercera generación tiene que tener una masa mayor de 247 GeV/c², según el análisis de 5’2 fb^-1 de colisiones en DZero. Lo curioso es comparar el nuevo límite con el obtenido el año pasado por DZero, tras el análisis de 4’0 fb^-1 de colisiones, 252 GeV/c². ¡El límite ha bajado! Con más datos el límite ha bajado. Puede pasar. También lo podemos comparar con el límite obtenido en 2007, que era de 229  GeV/c². Normalmente se espera que, a más colisiones, este tipo de límites inferiores a la masa de un partícula crezcan, pero no siempre es así. El análisis estadístico de los datos de las colisiones de los grandes aceleradores tiene este tipo de sorpresas. Ya pasó el año pasado con los límites de exclusión combinados de CDF+DZero para la masa del bosón de Higgs, que se redujeron. Aún así, un gran trabajo de los físicos de la colaboración DZero disponible en The D0 Collaboration (V. Abazov et al.), “Search for scalar bottom quarks and third-generation leptoquarks in ppbar collisions at sqrt(s) = 1.96 TeV,” ArXiv, Submitted on 12 May 2010.  También os recomiendo The DØ Collaboration, “Search for third generation leptoquarks and scalar bottom quarks in the bb(bar) plus missing energy topology in pp(bar) collisions at sqrt(s)=1.96 TeV,” July 1, 2009, y David Hedin (The DØ Collaboration), “Search for Third Generation Leptoquarks (and sbottom quarks).”

Los quarks y los leptones se agrupan en familias (o generaciones) cada una está formada por un par de quarks y un par de leptones de tal modo que cada generación es una réplica más masiva de la anterior. La evidencia actual es que hay solo tres generaciones formadas por 12 partículas y 9 antipartículas (no se sabe si los tres neutrinos son iguales a los antineutrinos o son partículas diferentes, en este último caso habría 12 antipartículas). Los leptoquarks son hipotéticas partículas que permiten la transformación, dentro de una misma familia, de quarks en leptones y viceversa. Tendría que haber tres generaciones de leptoquarks. La primera generación de leptoquarks solo interactúa con los quarks arriba (up) y abajo (down), los electrones y los neutrinos electrónicos. La segunda generación de leptoquarks lo hará con los quarks encanto (charm) y extraño (strange), y los muones y los neutrinos muónicos. Y la tercera generación de leptoquarks lo hará con los quarks cima (top) y fondo/belleza (bottom/beauty), y los taus y los neutrinos tau.

El laboratorio alemán DESY anunció en 1997 (sus experimentos HERA y ZEUS) cierta evidencia de la existencia de los leptoquarks. Falsa alarma. Un análisis posterior demostró que habían errado en sus estimaciones. Pero saltó la alarma y desde entonces en el Tevatrón del Fermilab están buscando a los leptoquarks con ahínco. Si se crea un leptoquark en una colisión protón-antiprotón, casi de inmediato se desintegra en chorros (jets) de quarks y leptones. Lo más fácil es estudiar la caídas de un leptoquark en cuatro partículas, un electrón y un quark, por un lado, y un  electrón y un neutrino, por otro. El neutrino se detectará por la existencia de una energía perdida en la desintegración. En el Tevatrón se buscaron leptoquarks de primera generación en 1997 y no fueron encontrados. Desde entonces han buscado leptoquarks de segunda y tercera generación, sin éxito. El estado de la búsqueda de leptoquarks en DZero (hasta 4’0 fb^-1 de colisiones) nos lo resume muy bien el artículo de Sergey A. Uzunyan, “Search for Leptoquarks with the D0 detector,” ArXiv, Submitted on 6 Oct 2009.

Los límites inferiores para la masa de los leptoquarks dependen de la teoría que los prediga (hay varias posibilidades) y de su preferencia por desintegrarse en neutrinos, es decir, de la probibilidad β de que se desintegren en un quark y un leptón (electrón), o de la probabilidad (1−β) de que lo hagan en un quark y un neutrino. Asumiendo β=0’5, el límite inferior para la masa de leptoquarks de primera generación es de 357, 415 y 464 GeV/c², asumiendo tres teorías parecidas pero diferentes. El límite inferior para la masa de leptoquarks de segunda generación para β=1, β=0’5 y β=0’1 es de 316, 270 y 185 GeV/c², respectivamente. Los límites para la tercera generación ya los hemos comentados al principio de esta entrada.

Nuevos avatares de la cruzada anti-He-siana de la mano del nuevo cruzado Sir Jason, autor del blog “El Naschie Watch”

Jason, autor del blog “El Naschie Watch” está emprendiendo una nueva batalla en nuestra cruzada anti-He-siana. Está enviando correos electrónicos a los editores de revistas internacionales en cuyo comité editorial está Ji-Huan He recomendando que consideren la posibilidad de jubilarlo del comité editorial. Para los que no lo sepáis, Ji-Huan He es un autor prolífico, muy prolífico: 139, 133, 127 y 111 artículos en revistas JCR en 2009, 2008, 2007 y 2006 (en total casi 1000 artículos desde 1992). ¿Cuál es su secreto? Escribir basura. Sí, como suena, BASURA. Artículos superinterantes para los He-sianos, pero sin ningún interés para quien sepa lo que es un desarrollo de Taylor o en serie de potencias. ¿Y le aceptan los artículos? Sí y en las mejores revistas internacionales. ¿Por qué? ¿Os suena la palabra camorra? Y no es que publique siempre en la misma revista, que tiene varias suyas, sino que están publicados en más de 70 revistas internacionales diferentes. Ha colado artículos en Physical Review, Physics Letters A, Polymer, etc. ¿Y cómo es posible? Porque todo el mundo le tiene envidia y quiere ser como él, un ser sin escrúpulos que busca el lucro y la fama. Un intocable. “Nuestro cruzado, el Caballero Marcelo ,” ha luchado contra él y sus secuaces en múltiples batallas. Conviviendo con las “bromas de mal gusto del ISI Web of Science,” ha logrado recabar a algunos cruzados que le han acompañado en la lucha, pero la batalla es dura y ofrece muchos reveses. “La cruzada del Cabellero (Francisco) Marcelo (Fernández) contra Ji-Huan He y los He-sianos, un ejemplo de la “basura” que se publica en revistas “respetables”,” ha recibido un apoyo inesperado y de los más elocuente de la mano de Sir Jason, el nuevo cruzado que está defendiendo a capa y espada la decencia en las publicaciones cientfícas en matemática aplicada. Gracias Jason por tu labor. Todos la loamos.

Al grano. Sir Jason está enviando cartas a los editores de revistas internacionales que atesoran a J-H He como editor para que lo largen. Ya ha logrado algunos éxitos. Lo han echado de las revistas Chaos, Solitons and Fractals (CSF), Arab Journal of Mathematics and Mathematical Sciences (AJMMS), Computers and Mathematics with Applications (CMA), International Journal of Information Sciences and Computer Engineering (IJISCE), Research Journal of Mathematics and Statistics (RJMS), Mathematical Problems in Engineering (MPE), y International Journal of Differential Equations (IJDE). ¿Muchas? No, pecata minuta. Un He-siano de la categoría del mismísimo Ji-Huan He está en muchísimas revistas como editor: cuarenta, sí, has leído bien, cuarenta (bueno, ahora unas poquitas menos).

Sir Jason, compañero de batallas del Caballero Marcelo, está logrando éxitos, pero como nuestro amigo, no las tiene todas a favor y las malas artes He-sianas tienen raigambres muy profundas.

Ánimo Sir Jason. Tú labor es muy necesaria en estos tiempos que corren.

Una pulga capaz de provocar un terremoto en el Everest

 

Titular provocativo, pero elocuente. Así describen los autores su logro. Demuestran como un cristal con 10²⁰ átomos se pone a vibrar cuando lo atraviesa por efecto túnel un único electrón. Para estudiar un resonador micromecánico se utilizan electrones o fotones, que afectan a sus vibraciones. El efecto suele ser pequeño y puede ser despreciado, salvo en algunos sistemas, como los nanotubos de carbono. Stettenheim et al. publican en Nature un ejemplo aún más sorprendente. Un objeto (micro)mecánico macroscópico vibra al son del ruido cuántico, las fluctuaciones estadísticas (por efecto túnel) de sus electrones. Han utilizado como oscilador micromecánico un contacto puntual cuántico (quantum point contact o QPC) construido con arseniuro de galio (GaAs). Sin ruido cuántico el oscilador no debería vibrar, pero por un efecto similar al movimiento browniano, en el que un grano de polen en agua se mueve por las fluctuaciones estadísticas de las moléculas que le golpean, el oscilador se resuena al ritmo de las fluctuaciones cuánticas de los electrones de conducción que lo atraviesan. Un ejemplo dramático  de la interacción entre el mundo cuántico y el clásico. El artículo técnico es Joel Stettenheim et al., “A macroscopic mechanical resonator driven by mesoscopic electrical back-action,” Nature 466: 86–90, 01 July 2010.

Descubiertos 19 conjuntos de marcadores genéticos que caracterizan a las personas que superan los 100 años de edad

Superar los 100 años de edad requiere una combinación de estilo de vida (factores ambientales) y una genética robusta. Cada año que pasa, en el primer mundo, envejecer de forma saludable es más fácil. ¿Pero qué marcadores genéticos caracterizan a los centanarios? Paola Sebastini, bioestadística de la Universidad de Bostón, EEUU, y sus colegas han estudiado el genoma de 1055 centenarios que han comparado con 1267 sujetos de control. Han descubierto 150 polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) que permiten predecir estadísticamente con una confianza del 77% si una persona superará o no la centena. El 90% de los centenarios se pueden agrupar en 19 grupos caracterizada por diferentes firmas genéticas (combinaciones de SNP) de distinto valor predictivo. Muchos de los marcadores genéticos encontrados están relacionados correlacionados con la ausencia de factores de riesgo a ciertas enfermedades (demencia, hipertensión y enfermedades cardiovasculares), otros no se han podido interpretar y son una muestra de lo complejo que es el análisis del genoma de una persona. Quizás algún día podremos saber si nos encontramos entre las personas excepcionalmente longevas solo con un análisis genético, aún así habrá que esperar bastantes años para que esta práctica sea habitual. Lo mejor para los que se acerquen a la tercera edad es tratar de vivir una vida lo más saludable posible, tanto física como emocionalmente. El artículo técnico es Paola Sebastiani et al, “Genetic Signatures of Exceptional Longevity in Humans,” Science Express, Published Online July 1, 2010.

La biomecánica del disparo de un balón de fútbol

Ahora con el mundial en pleno curso, el fútbol está de moda y aunque este blog no suele dedicar entradas al deporte rey, sin que sirva de precedente os recomiendo un artículo de biomecánica que resume todo lo que se sabe sobre el disparo de un balón de fútbol que se acaba de publicar: A. Lees, T. Asai, T. B. Andersen, H. Nunome, T. Sterzing, “The biomechanics of kicking in soccer: A review,” Journal of Sports Sciences 28: 805-817, 8 June 2010. Aunque sólo de interés para los aficionados a estos temas que tengan acceso universitario a dicha revista (no he encontrado el preprint gratis).

Dónde se ha publicado que el balón “Jabulani no va derecho porque es perfectamente redondo”

El artículo “Para la ciencia, el ‘Jabulani’ no va derecho porque es perfectamente redondo,” AFP, 30 junio 2010, en su copia aquí ha llegado a portada en Menéame. Afirma que dos científicos japoneses han estudiado el balón Jabulani y han determinado que sus problemas se deben a que es demasiado esférico. Yo, como muchos de vosotros, me pregunto, ¿cuál es el artículo científico en el que han publicado sus resultados? ¿Han dado una rueda de prensa? La ciencia es ciencia si es reproducible y está publicada para poder serlo. Los artículos en prensa no indican la fuente. ¿Alguien conoce la fuente? La Mula Francis no puede resistir la tentación de buscar en Google a ver si aparece por algún lado la fuente. No la he encontrado, ¿alguien puede ayudar? Lo que sí he encontrado es un artículo publicado el mes pasado de estos investigadores sobre la aerodinámica de un balón de fútbol, en concreto, Sungchan Honga, Chulsoo Chung, Masao Nakayama, Takeshi Asai, “Unsteady Aerodynamic Force on a Knuckleball in Soccer,” Procedia Engineering 2: 2455–2460, June 2010. En dicho artículo comparan la aerodinámica de un balón de fútbol (knuckleball, en concreto el balón oficial de la Copa del Mundo en 2006) y de un balón esférico (no especifican que sea Jabulani). Supongo que dicho artículo será el que ha generado la noticia en prensa, pero quien sabe. La página web de los japoneses no dice nada concreto. ¿Alguien sabe algo más?

PS: Gracias a Nacho, uno de nuestros lectores, hemos localizado un estudio japonés de la aerodinámica de Jabulani. El artículo de Siobhan Wagner, “World Cup ball designers respond to critics,” The Engineer, 15 June 2010, incluye un apéndice escrito por Kazuya Seo sobre la aerodinámica del balón de fútbol, que incluye pruebas en túnel de viento de Jabulani y el coeficiente de resistencia aerodinámica de Jabulani comparado con del balón usado en los jugos olímpicos de Pekín (llamado Geist). Adjunto figura resumen. Muchas gracias, Nacho. Como podéis ver en la figura, la aerodinámica de Jabulani es más próxima a la de una esfera que la de un balón de fútbol, lo que es comprensible porque es un balón mucho más (o casi) esférico. En la página web de Kazuya Seo, colaborador de Asai y Nakayama, aparece un enlace al artículo de Devin Powell, “Stability Of New World Cup Ball Tested,” Inside Science News, Jun 8, 2010, que también trata sobre este tema. Finalmente, como curiosidad, os comento que Seo presentó su tesis doctoral recientemente sobre la aerodinámica del balón de Rugby, bajo la dirección de Asai (artículo principal).

Cómo influye la altura respecto al nivel del mar en la trayectoria de un balón de fútbol

Los estadios de fútbol en el Copa Mundial 2010 en las ciudades de Pretoria y Johannesburgo se encuentran a 1200 y 1700 metros, respectivamente, sobre el nivel del mar. El estadio de Durbán se encuentra pocos metros sobre el nivel del mar.  ¿Influye la altura sobre el comportamiento del balón de fútbol? El ingeniero biomecánico austríaco S. Hörzer y sus colegas han publicado un estudio que demuestra que la altitud influye en los parámetros de vuelo del balón de fútbol, tanto en su velocidad (lineal) y velocidad de rotación, como en los parámetros asociados al efecto Magnus (clave en los disparos a puerta con efecto). Un disparo libre directo que entrara a puerta en Durban, sería poste en Nespruit y saldría fuera en Polokwane y Johannesburgo (España-Paraguay se jugará el 3 de julio en esta ciudad). Su estudio se basa en simulaciones por ordenador y han tenido en cuenta la variación de la densidad del aire con la altura (casi un 30% de variación entre los estadios más extremos), que influye en la mayoría de los parámetros aerodinámicos del vuelo del esférico. La figura de abajo muestra cómo cambian la velocidad, coeficiente de espín (Sp), resistencia aerodinámica (Cd) y coeficiente de la fuerza de Magnus (Cm) en función de la ciudad (su nivel respecto al mar) para un disparo a puerta a una distancia entre 0 y 20 metros. Los interesados en detalles técnicos pueden consultar S. Hörzer, C. Fuchs, R. Gastinger, A. Sabo, L. Mehnen, J. Martinek, M. Reichel, “Simulation of spinning soccer ball trajectories influenced by altitude,” Procedia Engineering 2: 2461–2466, June 2010.