Es “aproximadamente imposible” que el LHC no resuelva el problema de la ruptura electrodébil

Tommaso Dorigo ha impartido una charla hoy en el LHC Days titulada “Top at Tevatron.” Tommaso nos resumió su charla el viernes pasado en su blog “How Important Is To Know The Value Of The Top Quark Mass?,” A Quantum Diaries Survivor, October 1st 2010. Ayer lunes también nos resumió/trasncribió en directo la interesante charla de Guido Altarelli, “LHC Physics in the SM and Beyond,” LHC Days, 4th October 2010, en su entrada “Altarelli: “Approximately Impossible” That LHC Fails,” A Quantum Diaries Survivor, October 4th 2010. Permitidme que os traduzca al español algunos pasajes (aunque debo recomendar la lectura del original en inglés, mucho más completo).

“¿Cuál es el estado de la física de partículas hoy en día? Todo el mundo está convencido de que el Modelo Estándar (SM) es una teoría efectiva que comprende la cromodinámica cuántica y la teoría electrodébil con ruptura espontánea de la simetría gracias al mecanismos de Higgs. El SM una teoría bien apoyada por los datos y que permite realizar cálculos con precisión gracias a que es renormalizable. Sin embargo, el SM no es una teoría satisfactoria, presenta divergencias cuadráticas a alta energía y no explica la gran diversidad de masas de las partículas que conocemos. Todos estos problemas del SM se muestran en el sector de Higgs, por ejemplo, las divergencias dependen de la masa del Higgs. El problema es que del sector de Higgs no se sabe casi nada. Las búsquedas directas en el LEP II y en el Tevatrón indican que su masa es inferior a 186 GeV/c², si el bosón de Higgs es un doblete de isospín débil,” el más sencillo posible, también llamado Modelo Estándar Mínimo. 

“¿Se pueden corregir los problemas del Modelo Estándar sin el bosón de Higgs? En la escala de energías alcanzable en el LHC (la escala de los TeV) el SM predice violaciones de la unitariedad” (que garantiza que las probabilidades cuánticas no sean negativas) “y el bosón de Higgs es fundamental para garantizar que dichas violaciones no se produzcan. Si no hay Higgs, tiene que haber física más allá del SM en la escala TeV que elimine estas violaciones. En este sentido, el problema más importante que se tiene que resolver en el LHC es ¿qué es lo que preserva la unitariedad? Puede ser el bosón de Higgs, nuevos bosones vectoriales W’ o Z’, otras partículas, etc. Un bosón de Higgs permite que el SM sea válido hasta la escala de Planck solo si su masa en reposo es mayor de 128 GeV/c² e inferior a 180 GeV/c².”

“¿Es posible que el bosón de Higgs no se encuentre en el LHC? Guido se refiere a la solución del mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil. Parece poco probable que así sea ya que el rango de energías que estudiará el LHC es muy amplia. Por ejemplo, un bosón de Higgs con un masa mayor de la observable en el LHC llevaría al colapso de la teoría de perturbaciones y sería muy difícil de conciliar con los tests de precisión electrodébil actuales.”

“¿Supone encontrar el Higgs el fin de la física de partículas? No, porque el SM tiene otros problemas conceptuales, como la inclusión de la gravedad cuántica, el problema de la jerarquía de masas, el rompecabezas del sabor (la existencia de tres familias de partículas), la ausencia de candidato para la materia oscura, la bariogénesis y la violación de la simetría CP, y muchos otros defectos conceptuales. Además, hay que estudiar si la Naturaleza hace uso de la supersimetría (SUSY), las fuerzas de technicolor, dimensiones extra del espacio-tiempo, etc. En opinión de Guido, todo apunta a la idea de que el LHC encontrará nueva física más allá del SM, siendo la SUSY el modelo más sugerente, porque es el más completo, consistente y calculable. Altarelli también apuntó que ya hay algunas observaciones experimentales (como la anomalía de los muones) que podrían ser una señal real de nueva física.”

“¿Es posible que el LHC no encuentre el bosón de Higgs? Sí, pero en ese caso debe encontrar nueva física que explique el problema de la unitariedad. ¿Es posible que el LHC encuentre el bosón de Higgs, pero no encuentre nueva física más allá del SM? También es posible, pero para Altarelli habría que recurrir al principio antrópico para explicar muchos de los parámetros del SM. Por último, ¿es posible que el LHC no encuentre ni el bosón de Higgs ni nueva física? Altarelli afirma que esto es imposible, salvo que haya problemas técnicos con el LHC que no permitan explorar de forma completa la escala electrodébil de energías. ¿Podrá el LHC explorar toda esta escala? Normalmente debería poder hacerlo, pero nunca se puede decir “nunca jamás” así que Altarelli finalizó su charla afirmando que es “aproximadamente imposible” que el LHC no resuelva el problema de la ruptura de la simetría electrodébil en el modelo estándar.”

El futuro del Tevatrón del Fermilab si se prolonga su financiación hasta 2014

Ursula Bassler nos ha contado en detalle hoy en el congreso LHC Days cual es el futuro de la física que se observará en el Tevatrón del Fermilab si se le concede financiación por tres años más (hasta 2014). Se espera que logre al menos 2’5/fb de colisiones al año, con lo que para octubre de 2014 habrá alcanzado un total acumulado de 19/fb de colisiones (ahora mismo roza los 9/fb). Esta estimación tiene en cuenta el posible envejecimiento de los detectores de silicio de DZero, los de CDF no sufrirán este problema. ¿Qué significan 19/fb de colisiones? Para el bosón de Higgs significa excluir al 95% CL el rango de masas posibles hasta 190 GeV/c². Si existe un Higgs se obtendrá una evidencia de su existencia a 3σ en el rango [100,180] y a 4σ si tiene una masa de 115 GeV/c² (un descubrimiento definitivo requiere 5σ). Por ello, el Tevatrón será complementario al LHC del CERN en la búsqueda del Higgs. Para la masa del bosón W el Tevatrón ha logrado una incertidumbre de 23 GeV (un error relativo del 0’04%) y podrá bajarla a 15 GeV en 2014. Para la masa del quark top el Tevatrón ha logrado una incertidumbre de 1’1 GeV (un error relativo del 0’7%) y podrá bajarla alrededor de 0’75 GeV. Estos resultados junto los obtenidos por el LEP2 del CERN permitirán excluir un Higgs con masa inferior a 117 GeV al 95% CL (extendiendo el rango actual que llega a 114’4 GeV). Nos lo ha contado Ursula Bassler (on behalf of the DZero and CDF Collaborations), “Physics Potential of an Extended Tevatron Run,” LHC Days in Split, 5th October 2010. Ursula ha hecho doblete y nos presenta un buen repaso del estado actual de la física de partículas gracias al Tevatrón en “How’s the Standard Model Doing at the Tevatron?,” LHC Days in Split, 5th October 2010.

Francis organiza la XII Edición del Carnaval de la Física

El XII Carnaval de la Física será organizado por este blog. Os animo a todos los lectores aficionados a la física asiduos de este blog a contribuir con vuestro granito de arena. Para participar no hace falta tener un blog. Puedes darte de alta en la web del Carnaval de la Física y publicar tu entrada allí. Por supuesto, a los que tenéis un blog lo más fácil es publicarla en vuestro propio blog. El formato de la entrada es libre: desde un elaborado artículo científico a una simple imagen, pasando por el comentario de una película, la descripción de un experimento casero, un podcast o un vídeo. La única condición es que trate sobre la física en cualquiera de sus aspectos.

La entrada debe indicar que es una participación en la XII edición del Carnaval de la Física, enlazar la página del Carnaval y mencionar que lo alberga La Ciencia de la Mula Francis (o Francis (th)E mule Science’s News). Una vez publicada es necesario comunicarlo expresamente a través de alguna de las siguientes vías:

O en los comentarios de esta entrada;

O en la web del Carnaval de la Física;

O enviándome un correo (para los que ya lo tengáis).

El plazo para publicar las entradas finaliza el 25 de octubre y el día 30 se publicará en este blog un resumen de las mismas.

Cuando Carlo (Ferri) (del blog Gravedad Cero) me pidió que alojara el XII Carnaval de la Física en octubre de 2010 no lo dudé un momento. No lo dudes tú tampoco ni un momento y contribuye. Me enteré del primer “Carnaval de la Física en Gravedad Cero” gracias a MiGUi, que a su vez se enteró en un tweet de Ciencia Kanija. Menéame y otros foros se hicieron eco de la misma y fue todo un éxito. En este blog hemos participado en casi todas las ediciones del Carnaval de la Física. Aquí va el listado de contribuciones por si alguien no se atreve a contribuir y quiere ver cómo he contribuido en el pasado.

“XI Carnaval de la Física: El neutrino y la violación de la simetría CPT,” 25 Septiembre 2010; “XI Carnaval de la Física: Cómo verificar la teoría de cuerdas en la escala de energías alcanzable en el LHC del CERN,” 17 Septiembre 2010.

“X Carnaval de la Física: Espaguetis crudos que se rompen en tres o más pedazos y el premio Ig Nobel 2006 de Física,” 29 Agosto 2010; “X Carnaval de la Física: Marcos Moshinsky, la difracción cuántica en el tiempo y los estados condensados de Bose-Einstein,” 25 Agosto 2010.

“IX Carnaval de Física: El efecto de Coanda en una cuchara y cómo funciona el ala de un avión,” 24 Julio 2010.

“VIII Carnaval de Física: Por qué un barco sin motor se mueve en agua salada pero no en agua dulce,” 24 Junio 2010; “VIII Carnaval de Física: Experimentos sencillos para profesores de física y química,” 24 Junio 2010; “VIII Carnaval de Física: La decadencia de la carrera de Ciencias Físicas y la historia de Hipatia,” 24 Junio 2010.

“VII Carnaval de Física: La trayectoria de un balón de fútbol y sus parámetros aerodinámicos medidos experimentalmente,” 24 Mayo 2010; “VII Carnaval de Física: Un microscopio de fuerza atómica gigante fabricado con un lápiz y un diapasón es capaz de leer la tinta de la superficie de un billete de papel,” 23 Mayo 2010.

“VI Carnaval de Física: Lo que nos dirá el LHC del CERN sobre la masa del bosón W,” 22 Abril 2010; “VI Carnaval de Física: Experimentos de laboratorio con un LED parpadeante y una cámara de fotos,” 19 Abril 2010.

“IV Carnaval de la Física: Explicando la física del bosón de Higgs utilizando el índice de refracción en óptica,” 24 Febrero 2010.

I Carnaval de la Física: “Gravedad Cero: Newton, Gauss, Birkhoff, Milgrom y la teoría MOND,” 26 Noviembre 2009.

2010 Nobel, Física: Andre Geim y Konstantin Novoselov por el descubrimiento del grafeno

Los dos científicos de la Universidad de Manchester que descubrieron el grafeno, Andre Geim y Konstantin Novoselov han obtenido el Premio Nobel de Física de 2010 por iniciar uno de los campos  de investigación más candentes de la actualidad. Los análisis bibliométricos de Thomson Reuters han acertado este año con un pleno. Mi entrada está basada en el anuncio oficial del Premio Nobel (Prize Announcement). He visto en directo (online) el anuncio, que ha incluido una entrevista a Geim muy emotiva (se le oía muy emocionado por el premio aunque se sabía firme ganador algún día). [PS: Más información en inglés en Advanced Information y Popular Information].

El grafeno es una película de un átomo de grosor de átomos de carbono colocados en una red atómica perfecta. Esta forma del grafeno tiene unas propiedades excepcionales que se originan en las sutilezas de la física cuántica. El grafeno (igual que el diamente) es un material muy duro, aunque solo tenga un átomo de grosor, es buen conductor de la electricidad (mejor que el cobre), del calor (el mejor conductor del calor conocido), es casi transparente (ver la foto adjunta), pero tan denso que ni siquiera un átomo de helio (el átomo más pequeño de un gas) puede atravesar sus agujeros (entre los átomos de carbono).

Geim y Novoselov extrajeron el grafeno de un trozo de grafito (el mismo que se encuentra en cualquier lápiz ordinario). Utilizaron una especie de cinta adhesiva que les permitió extraer del grafito una lámina de un solo átomo de carbono. Muchos científicos creían entonces que era imposible que una lámina de un solo átomo de grosor cualquier material era imposible de fabricar porque era inestable. Geim y Novoselov lograron lo inesperado y con ello se convirtieron en firmes candidatos al Premio Nobel que ahora han obtenido. 

El grafeno ha permitido a los físicos estudiar las propiedades de los materiales en solo dos dimensiones. Muchas de estas propiedades se deben a fenómenos de la física cuántica sin análogo en el mundo de los materiales en tres dimensiones. Las aplicaciones del grafeno están aumentando cada día, entre ellas, la creación de nuevos materiales y la fabricación de productos electrónicos innovadores (como transistores de grafeno) que podrían reemplazar al silicio y el germanio en muchas aplicaciones. Como es prácticamente transparente y un buen conductor, el grafeno es adecuado para la producción de pantallas táctiles transparentes, pantallas para televisores y monitores, e incluso las células solares. Mezclado con plásticos el grafeno los convierte en conductores de la electricidad, haciéndolos más resistentes al calor y más resistente mecánicamente, lo que ha permitido desarrollar nuevos materiales delgados superfuertes, con buenas propiedades elásticas y muy ligeros, con posibles aplicaciones en satélites, aviones y automóviles.

Konstantin Novoselov, de 36 años, es ciudadano británico y ruso, aunque nació en Rusia. Andre Geim, de 51 años, es ciudadano holandés, aunque también nació en Rusia. Novoselov trabajó por primera vez con como estudiante de doctorado de Geim en los Países Bajos. Posteriormente le siguió al Reino Unido. Ambos estudiaron su carrera de física en Rusia. Ahora son profesores de la Universidad de Manchester.

Más sobre el grafeno en este blog:

“El grafeno, la panacea de la nanoelectrónica,” 27 Marzo 2009;

“Tan fácil como tocar y pegar o cómo depositar capas monoatómicas de grafeno sobre silicio y óxido de silicio utilizando cobre,” 7 Mayo 2009;

“Desenrollando nanotubos de carbono multicapa en nanoláminas de grafeno (o cuando una imagen vale más que mil palabras),” 16 Abril 2009;

“La meteórica carrera de Tomás Palacios y el transistor de grafeno ultrarrápido,” 4 Mayo 2009;

“Nanotransistores con canal de nanotubos para los ordenadores del futuro,” 29 Mayo 2008;

“Nanotransistores ultrarrápidos basados en grafeno,” 16 Septiembre 2010;

“Quién será capaz de fabricar el grafeno semiconductor,” 28 Marzo 2010;

“El joven científico español Tomás Palacios entrevistado en la revista Science,” 26 Marzo 2010;

“Grafeno ultraplano sobre un substrato de mica,” 19 Noviembre 2009;

“Observado el efecto Hall cuántico fraccionario en grafeno,” 16 Noviembre 2009.

Por cierto, Geim y Novoselov son candidatos al Nobel desde el año pasado: ”Quién ganará el Premio Nobel de Física de 2009,” 3 Octubre 2009. Podéis leer en mi entrada “Ahora está muy de moda el grafeno así que yo personalmente acompañaría a Ijima de ANDRE GEIM y KOSTYA NOVOSELOV (tampoco son los descubridores originales del grafeno, pero sí son los más famosos codescubridores).“

PS: Richard Van Noorden, “Nobel 2010: Graphene bags physics nobel,” NPG The Great Beyond, October 05, 2010, nos recuerda que el artículo original del descubrimiento de Geim y Novoselov en Science 2004 se puede descargar gratis aquí. Una cinta adhesiva tipo Scotch permitía retirar capas de grafeno de un trozo de grafito. Geim ya ganó el Ig Nobel en 2000 por hacer levitar una rana. Además nos enlaza varios artículos sobre las aplicaciones del grafeno aparecidos en Nature y otras revistas: pantallas táctiles, sensores químicos, electrodos, generadores de frecuencias, materiales compuestos o composites, supercondensadores, transistores, secuenciadores de ADN y muchas otras.

OVNIs en el interior del túnel del LHC en el CERN

Un OVNI es un Objeto Volante No Identificado (UFO en inglés). Durante las 39 semanas de funcionamiento del LHC del CERN, cerca de Ginebra, se han observado 12 pérdidas locales de los haces que han obligado a parar de forma preventiva la máquina. Su causa es un OVNI de origen aún no identificado. Estos OVNIs podrían ser pequeñas partículas de polvo que habrían entrado en el túnel. También se han observado ciertas pérdidas del nivel de vacío en el túnel; antes de la inyección de paquetes de protones la presión en el túnel es de 1’8 × 10^-10 mbar y tras el llenado aumenta a 4’3 × 10^-8 mbar. También se desconoce la causa de este pequeño problema. Tampoco se ha encontrado la causa dell “hump” del LHC (ver figura más abajo), una vibración en los haces de origen desconocido que lleva siendo estudiada desde principios de año y aún no se tiene ni idea de qué es. Se han hecho todas las pruebas imaginables, que han podido imaginar hasta ahora los técnicos, y su origen sigue siendo una incógnita. Estos tres problemas son los más importantes que tiene el LHC del CERN según la charla de Mike Lamont (LHC team), “LHC machine commissioning and the near future,” LHC Days, 4 octubre 2010 [PS: Program 2010 LHC Days in Split].

Por lo demás, el LHC está funcionando a las mil maravillas y su luminosidad va viento en popa. Ya se están produciendo colisiones con 200 paquetes de protones y este jueves se usarán 240. La semana que viene se alcanzará el objetivo de 336 paquetes por haz y quedarán dos semanas de reserva para seguir aumentando el número de paquetes o para realizar pruebas en busca de pistas sobre los problemas del LHC, o para lo que la comisión decida. Lamont no nos lo ha indicado en su charla.

Más información en este blog sobre el LHC, sobre paquetes de protones y sobre el “hump” del LHC: ”La carrera a toda prisa hacia los 384 paquetes de protones a 150 ns en el anillo del LHC del CERN antes de noviembre,” 23 Septiembre 2010; ”Todavía no se sabe la causa de la misteriosa vibración en los haces de partículas del LHC del CERN,” 19 Julio 2010; y ”Misteriosa vibración de 8 kHz en los haces de partículas del LHC del CERN por causa aún desconocida,” 3 Mayo 2010. También sobre lo bien que va la máquina: “Este fin de semana se ha obtenido un nuevo récord de luminosidad en el LHC del CERN que avanza viento en popa,” 9 Agosto 2010; y ”El presente y el futuro del LHC del CERN,” 16 Junio 2010.