Simulación de la NOAA para la propagación del tsunami de Honshu en el Océano Pacífico

Japón es un archipiélago cuyas cuatro islas más grandes son Hokkaidō, Honshu, Kyushu, y Shikoku. La segunda de ellas, Honshu ha sido la más afectada por el tsunami generado por el terromoto de grado 8’9 en la escala de Richter cuyo epicentro se ha situado en las coordenadas 38.322°N, 142.369°E, a las 05:46 UTC. Aproximadamente a unos 130 km al este de la ciudad de Sendai (la más dañada). Unos 25 minutos más tarde, el tsunami generado por el terremoto fue detectado por las boyas oceánicas DART®, en concreto por la boya 21418. La simulación que ha permitido obtener el vídeo que abre esta entrada ha sido desarrollada por la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) a partir de las medidas de cuatro boyas oceánicas (mostradas como puntos amarillos cercanos a Japón). Más información en inglés en “Tsunami Event - March 11, 2011 Honshu,” NOAA Main Event Page. El vídeo se puede descargar en formato .mov en mejor resolución aquí.

Supongo que estarás harto de leer información sobre el tsunami de Japón por doquier. Si aún te quedan fuerzas para leer algo más, en este blog te recomiendo “¿Interesado en tsunamis? Algunos enlaces de interés,” 31 enero 2008; y ““El tsunami de 2004 en Sumatra no fue de tipo solitón” gana el premio al mejor artículo en física de fluidos de 2008,” 7 abril 2009. Y por cierto, más información sobre el desastre en la wikipedia: “Terremoto y tsunami de Japón de 2011.”

¿Por qué es difícil predecir el próximo gran terremoto? Los sismógrafos modernos son muy sensibles y son capaces de calcular el lugar exacto donde se ha producido un terremoto, así como su magnitud. Sin embargo, los científicos aún son incapaces de predecir cuándo y dónde se producirá el próximo gran terremoto. Se ha avanzado mucho desde que Alfred Wegener propuso en 1915 la teoría de la tectónica de placas (que no fue aceptada hasta la década de 1960), la teoría que explica por qué se producen los terremotos. Sin embargo, ni la tecnología actual ni las teorías sismológicas más avanzadas pueden predecir el próximo gran terremoto. EE.UU., China y Japón tienen a cientos de científicos estudiando el problema, que aún se nos escapa. El método de pronóstico más estudiado se centra en los temblores de menor importancia que a menudo anuncian un terremoto de gran tamaño. Por desgracia, este método es propenso a las falsas alarmas, porque la gran mayoría de los temblores de menor importancia no son seguidos por otros mayores. Además, muchos grandes terremotos no fueron precedidos por temblores más pequeños. China predijo con éxito en 1975 un gran terremoto (7’3 grados) y logró evacuar a las personas en sus proximidades, pero en los últimos 20 años, ha emitido más de 30 falsas alarmas y no fueron capaces de predecir el terremoto de 2008 que devastó el este de Sichuán. Los científicos del USGS de EE.UU. también predijeron en 1985 un próximo gran terremoto en Parkfield, California, provocado por la famosa falla de San Andrés (desde 1850 esta zona había sufrido un terremoto de magnitud 6 o superior cada 22 años en promedio). Se estimó con una probabilidad del 95 por ciento que un terremoto de magnitud 6 o mayor sucedería en 1993. Pero el siguiente gran terremoto en Parkfield ocurrió en 2004, 11 años después del período de predicción inicial. Hay muchos métodos de predicción de terremotos propuestos, pero la verdad es que todavía la sismología está muy lejos de poder predecir a corto plazo el próximo gran terremoto. Nos lo ha contado John Horgan, “Japan earthquake demonstrates the limits—and power—of science,” Scientific American, Mar 11, 2011.

II Carnaval de Biología: Hacia los orgánulos celulares artificiales fabricados con polímeros

Imagina un futuro en el que los médicos introducirán orgánulos artificiales en ciertas células de tu cuerpo capaces de producir medicamentos cuando la célula lo requiera. Ese futuro es aún lejano, pero Shum et al. han publicado en la revista Angewandte Chemie el primer paso hacia la incorporación de orgánulos artificiales en una célula, la fabricación de una jerarquía de cápsulas anidadas cuyas paredes están formadas por pequeños polímeros capaces de almacenar agua en su interior. El siguiente paso será demostrar que estas cápsulas son capaces de atravesar la pared celular e incorporarse al interior de una célula viva como un elemento más de ella. Podría parecer lejano este momento, pero según nos cuentan Takamasa Harada y Dennis E. Discher, “Materials science: Bubble wrap of cell-like aggregates,” Nature 471: 172–173, 10 March 2011, quizás no esté tan lejos. Se han hecho eco del artículo técnico de H. C. Shum, Y.-J. Zhao, S.-H. Kim, and D. A. Weitz, “Multicompartment polymersomes from double emulsions,” Angewandte Chemie International Edition 50: 1648-1651, 2011 [gratis en la web]. Esta entrada participa en la II Edición del Carnaval de Biología, que se celebra durante este mes en el blog La muerte de un ácaro.

Los autores del artículo han utilizado técnicas de formación de burbujas utilizando microfluidos gracias a emulsiones dobles agua-aceite-agua (W/O/W o water-in-oil-in-water). El resultado son gotas de agua rodeadas por aceite que a su vez nadan en una solución de acuosa. El nuevo artículo también ha logrado vesículas multicompartimento que pueden almacenar substancias con una actividad diferente en su interior (tanto múltiples gotas unas dentro de otras, como gotas pegadas a otras  cara con cara); la figura de abajo ilustra estas estructuras que recuerdan a pompas de jabón pegadas unas a otras.

La clave del logro alcanzado está en los ingredientes utilizados para fabricar el aceite, una mezcla de cloroformo y hexano, y las propiedades del copolímero utilizado (un copolímero es un polímero formado por uno o más cadenas de polímeros de diferente composición química que están conectados entre sí). La solubilidad de este copolímero es mayor en uno de los solventes (cloroformo) que en el otro (hexano). Además, su carácter anfifílico (posee dos cadenas poliméricas, una hidrofóbica y otra hidrofílica) hace que forme membranas; estas membranas se cierran encapsulando una gota de agua cuando el cloroformo (que es volátil) se evapora. Como la solubilidad del copolímero en el hexano restante es más baja que en la mezcla cloroformo-hexano original, estas gotas de agua encapsuladas pueden pegarse las unas a las otras y formar cápsulas dobles. El “pegamento” de estas burbujas dobles es bastante fuerte, según los autores.

El copolímero utilizado por los autores es biocompatible (PEG-b-PLA) y está aprobado por la Administración de EE.UU. (US Food and Drug Administration) para su uso como contenedor de medicamentos.  De hecho, el PEG-b-PLA ya ha sido utilizado para la dosificación de terapias basadas en ácidos nucléicos (ARN de interferencia o oligonucleótidos antisentido) tanto a nivel celular como en animales vivos de laboratorio. Por supuesto, todavía quedan muchos problemas por resolver pero el logro de Shum et al. estimulará a muchos grupos de investigación en el desarrollo de aplicaciones biomédicas de estos orgánulos celulares artificiales.

El diodo más largo del mundo, tan largo como la fibra óptica que lo contiene

La fibra óptica se fabrica mediante un proceso industrial llamado estirado, que permite incorporar materiales estructurados en el interior de la fibra. Orf et al. publican en PNAS la fabricación de un fibra óptica que contiene una fina capa de selenio en contacto con hilos zinc-estaño que actúa como un diodo semiconductor distribuido a lo largo de su longitud, un diodo tan largo como la propia fibra (Orf et al. han fabricado uno de 35 metros de largo y cuya sección transversal es solo de 100 nanómetros). En el proceso de estirado se calienta en un horno una preforma que “chorrea” como la leche condensada en un hilo fino y que se enfría conforme cae; en la parte baja del tren de estirado se enrolla la fibra en un tambor que estira la fibra a gran velocidad (ver la figura). Hoy en día se puede incluir en la preforma cierta estructura (agujeros o capas de material diferente), lo que requiere un ajuste fino de los parámetros del estirado. En el trabajo de Orf et al. se ha incorporado en la fibra una heteroestructura electrónica por lo que se ha logrado fabricar por primera vez un diodo semiconductor de longitud arbitraria. La posibilidad de sintetizar dispositivos electrónicos activos dentro de las fibras ópticas promete gran número de aplicaciones optoelectrónicas de gran complejidad y funcionalidad. Nicholas D. Orf, Ofer Shapira, Fabien Sorin, Sylvain Danto, Marc A. Baldo, John D. Joannopoulos, and Yoel Fink, “Fiber draw synthesis,” PNAS, Published online before print March 4, 2011.

Se publica la búsqueda del bosón de Higgs con el mayor número de colisiones hasta el momento

Esta búsqueda apunta a un bosón de Higgs ligero entre 114 y 120 GeV/c² (aunque la evidencia aún es pobre). El experimento DZero del Tevatrón en el Fermilab acaba de publicar su último resultado en relación a la búsqueda de un bosón de Higgs ligero en el canal de desintegración más prometedor (en el LHC del CERN), la desintegración de un Higgs en dos fotones (canal difotónico), h→γγ+X. Se han utilizado la friolera de 8’2 /fb (léase inversos de femtobarn) de colisiones protón-antiprotón a 1’96 TeV c.m., es decir, todas las colisiones que se han recopilado entre abril de 2002 y diciembre de 2010. Por ahora es el récord de colisiones utilizado en una búsqueda del Higgs. Como es obvio, si no habría sido anunciado a bombo y platillo, aún no se ha encontrado el Higgs. La evidencia que apunta a que tiene una masa baja es de 2 sigma, es decir, podría ser sólo una fluctuación estadística. Aún así es una gran noticia saber que el Tevatrón sigue ofreciendo resultados interesantes en la búsqueda del Higgs. El artículo técnico para los interesados es The DZero Collaboration, “Search for the Standard Model Higgs Boson in γγ+X final states at DZero using 8.2 /fb data,” DZero, Fermilab, March 9, 2011.

El bosón de Higgs es la última pieza (y una pieza clave) en el modelo estándar de las partículas elementales que queda aún por descubrir. Forma parte del mecanismo de Higgs para la ruptura espontánea de la simetría electrodébil, un hecho experimental probado fuera de toda duda. El mecanismo de Higgs utiliza cuatro campos escalares, tres de los cuales se sabe que existen (ya que los bosones vectoriales W⁺, W^– y Z⁰ tienen masa) y el cuarto corresponde a una partícula aún no observada. Pocos dudan de su existencia y que será el primer gran descubrimiento del LHC del CERN (muchos deseamos que no sea el único). Las búsquedas directas y los resultados de precisión sobre los parámetros de la teoría electrodébil indican que el bosón de Higgs tiene una masa entre 114’4 y 185 GeV/c² con una certeza del 95% C.L. Más aún, la combinación de las búsquedas de los dos experimentos del Tevatrón, llamados CDF y DZero, excluye un bosón con una masa entre 158 y 175 GeV/c² al 95% C.L. Los intervalos de exclusión del Tevatrón + LEP para la masa del Higgs se resumen en la siguiente figura.

Me gustaría destacar que esta figura es más optimista de la cuenta (utiliza sólo evidencia experimental consistente con la teoría). De hecho, la evidencia teórica apunta a un bosón de Higgs ligero en el intervalo de 114 y 120 GeV/c². La mayoría de los físicos de partículas creen que el bosón de Higgs será descubierto en los próximos años sin lugar a dudas con una masa en dicho intervalo, es decir, creen que ya conocemos la masa del bosón de Higgs con un error menor del 10%.

A veces se escucha que “muchos” físicos afirman que hay dudas sobre si el bosón de Higgs existe o no, pero la situación en la actualidad es similar a la situación de la búsqueda del quark top alrededor de 1990. La mayoría de los físicos teóricos pensaban que el quark top existía y no tenían dudas al respecto, sin embargo, se habían publicado múltiples versiones del modelo estándar en las que el quark top no existía (todas ellas han sido olvidadas). Hoy en día, aunque hay algunos modelos teóricos que permiten que el bosón de Higgs no exista y el modelo estándar explorado hasta ahora cambie poco, la gran precisión con la que se han medido los parámetros de la teoría electrodébil, de la que el Higgs es una parte fundamental, indican que no se pueden tener dudas serias sobre la existencia de esta partícula. Cuando se descubra el Higgs todas las teorías sin Higgs serán olvidadas. En mi opinión, hoy en día, poner en duda la existencia del Higgs es similar a poner en duda que las interacciones débil y electromagnética están unificadas en la interacción electrodébil.

El canal difotónico para la desintegración de un bosón de Higgs ligero es el más prometedor, aunque su probabilidad es baja (en teoría sólo el 0’22% de los bosones de Higgs se desintegran de esta forma para una masa de 130 GeV/c²). Sin embargo, la señal para este tipo de desintegración es muy limpia y fácil de observar en los detectores (tanto en el Tevatrón como en el LHC). El nuevo resultado, ver la figura que abre esta entrada, puede ser comparado con el resultado anterior publicado por DZero para el mismo canal, pero con sólo 4’2 /fb de colisiones (más o menos la mitad de colisiones), ver figura de más abajo; el resultado fue publicado hace dos años en The DZero Collaboration, “Search for the Standard Model Higgs Boson in γγ final states at DZero with L = 4’2 /fb data,” DZero, Fermilab, February 24, 2009.

Comparando ambas figuras (no hay que ser un experto para hacerlo) se observa que el doble de colisiones ha mejorado el resultado, aunque no excesivamente (o no tanto como a mí me gustaría). Bueno, no seamos pesimistas, la mejora es buena en el sentido de que los valores se han reducido en un 70% cuando la luminosidad sólo ha crecido un 40%, luego el resultado es algo mejor de lo esperado (así opinan los autores del artículo técnico en sus conclusiones). Este 30% es debido a las mejoras en las técnicas de análisis multivariable (MVA) de los datos utilizadas. Hay que recordar que en estas figuras que comparan los datos observados con las predicciones del modelo estándar, si el valor del eje vertical es menor que 1 para cierto valor de la masa (eje horizontal) se considera que se puede excluir un bosón de Higgs con dicha masa. Como muestran ambas figuras, el canal difotónico en el Tevatrón no permite excluir, por sí solo, ningún intervalo de masa para el Higgs (en el LHC del CERN se espera que sí pueda hacerlo tras acumular todos los datos de las colisiones de 2011 y 2012), ya que los valores no descienden de 9’5. Comparando ambas figuras también se observa que en el resultado de 1999 no había evidencia de un bosón de Higgs con una masa entre 110 y 120 GeV, evidencia que se apunta clara en el nuevo resultado. Por supuesto, la probabilidad de dicha evidencia (un valor a 2 sigma de evidencia significa un 95% de probabilidad) es muy baja para los estándares en física de partículas y podría ser una mera fluctuación estadística; basta recordar que a mediados de los 1980 se anunció el descubrimiento del quark top en el CERN con una evidencia mayor que ésta, pero que luego desapareció como por arte de magia (el top era cinco veces más pesado de lo observable en aquella época).

En resumen, un avance interesante en la búsqueda del Higgs, que apunta ciertas evidencias sobre un Higgs ligero, pero que podrían ser como nubes en el cielo que parecen conejos y chisteras. Lo parecen pero no se esconde ningún conejo en la chistera.

Publicado en Nature: Un oscilador electromecánico híbrido que abre una vía al estudio de la transición entre lo cuántico y lo clásico

El mundo microscópico de la física cuántica y el macroscópico de la física clásica están separados por una barrera fascinante, la transición cuántico-clásica. ¿Existe el mundo mesoscópico o esta transición es brusca? Si se permite que cambie cierta propiedad de un sistema cuántico, ¿cuándo el cambio en dicha propiedad provoca que el sistema deje de ser cuántico y pase a ser clásico? Y lo mismo al revés. Tomemos un ejemplo, la masa. Richard Feynman especuló en 1962 en un curso de gravitación sobre la posibilidad de que la transición entre el mundo clásico y el mundo cuántico estuviera mediada por la masa total del sistema. Un objeto cuántico de masa creciente acabaría transformado en un objeto clásico. Según Feynman, una solución natural a la paradoja del gato de Schrödinger. ¿Cuál es la masa crítica en la que se produciría esta transición? Feynman especuló que podría ser la masa de Planck, la única masa que se puede escribir utilizando la constante de gravitación de Newton, la velocidad de la luz y la constante de Planck (unos 0’01 miligramos). ¿Existen sistemas cuánticos con un masa total mayor de 0’01 miligramos? ¿Se puede estudiar mediante experimentos la transición entre lo cuántico y lo clásico conforme la masa crece en un sistema concreto? Según Miles Blencowe, “Quantum mechanics: A light sounding drum,” Nature 471: 168–169, 10 March 2011, se ha dado un primer paso importante en este sentido en el artículo de J. D. Teufel et al., “Circuit cavity electromechanics in the strong-coupling regime,” Nature 471: 204–208, 10 March 2011.

Teufel et al. han desarrollado un “tambor” (oscilador mecánico) circular de 15 micrómetros de diámetro y 100 nanómetros de grosor que vibra a 11 MHz (millones de ciclos por segundo). El tambor circular tiene un doble propósito, sirve como oscilador mecánico y como oscilador electromagnético (un circuito RLC). El tambor actúa como una capacitancia eléctrico de placas paralelas (separadas por espacio vacío) y está conectado a una inductancia (un circuito cerrado en forma de espiral cuadrada). La figura que abre esta entrada ilustra el circuito (la resistencia es debida a la propia del material que constituye estos elementos). Este oscilador electromagnético RLC puede oscilar a una frecuencia de 7 GHz (miles de millones de ciclos por segundo). Gracias a este comportamiento dual del sistema, como oscilador mecánico y como oscilador eléctrico, se produce un acoplamiento fuerte entre ambas oscilaciones; de hecho, no se observa diferencia alguna entre ambos osciladores, que actúan como un sistema híbrido electromecánico. En implementaciones previas de esta idea por parte de otros autores se usaron dos osciladores separados e independientes que sólo se pudieron acoplar de forma débil debido a su diferente naturaleza.

Para observar las propiedades cuánticas de este sistema electromecánico híbrido hay que enfriarlo a temperaturas muy próximas al cero absoluto para que el sistema vibre en su estado fundamental y/o se pueda observar la superposición cuántica de sus primeros estados de vibración (el fundamental y el siguiente). Aún no se ha logrado. Además para observar este comportamiento cuántico sería necesario acoplar este sistema híbrido a un qubit superconductor que permitiera medir sus propiedades cuánticas mediante entrelazamiento mutuo. Para Miles Blencowe estos logros están al alcance de los investigadores en los próximos años.

¿Qué han logrado Teufel et al. para merecer una publicación en la prestigiosa Nature? Han podido enfriar su sistema híbrido sólo a unas centésimas de Kelvin y han podido observar propiedades clásicas de estes sistema que muestran el acoplamiento fuerte entre ambos modos de oscilación (eléctrico y mecánico) de este sistema mesoscópico cuya masa (una décima de billonésima de kilograma) es aún muy pequeña para considerar la posibilidad de realizar el experimento propuesto por Feynman. Sin embargo, Miles Blencowe sueña con que algún día este concepto experimental permita explorar la transición entre lo cuántico y lo clásico. Habrá que estar atentos en los próximos años a los progresos experimentales en esta interesante línea de investigación.

XVII Carnaval de la Física: La primera ley de Newton en acción gracias a youtube

Mi primera entrada para la XVIIª Edición del Carnaval de la Física, organizado en esta ocasión por Fran Sevilla, autor del blog Vega 0.0, cita obligada para todos los aficionados a la astronomía, versará sobre algunos vídeos de youtube que ilustran la primera ley de Newton, la ley de la inercia. Estos vídeos aparecen listados en Diane Riendeau, “Youtube Physics: Inertia in Action,” The Physics Teacher 49: 186, March 2011.Como siempre, te animo a participar en el Carnaval de la Física este mes de marzo (envíale el link de tu contribución al gmail de Fran).

Un camión lleno de carritos de supermercado. Un error de comunicación entre el conductor y los operarios encargados de cerrar el remolque conduce a una estupenda ilustración de la primera ley de Newton.

Una moto de carreras, el mantel de una mesa y MythBusters (“Cazadores de Mitos”). Espectacular ilustración de la primera ley de la inercia con el mantel de una mesa con cubiertos para 16 personas. Aclaración [9 mar. 2011]: El vídeo es fake según MythBusters, pero ¿y qué importa? ¡Es espectacular! Lo interesante es la discusión que puede incitar entre los alumnos sobre ¿cómo se ve en el vídeo que hay procesamiento digital de las imágenes?

La diferencia entre llevar cinturón y airbag, y no llevarlo. La primera ley de Newton ilustra a la perfección la importancia de la seguridad al volante. El vídeo es ideal para discutir con los alumnos la relación entre la velocidad del automóvil y la distancia de frenada.

Fotografía de alta velocidad de un globo golpeando una cara. Vídeo extraído de la serie “Time Warp” del Discovery Channel que ilustra muy bien la primera ley de Newton, como parte del globo sigue su trayectoria mientras el resto reacciona contra la cara. Un vídeo que además divertirá a todos los alumnos.

Espero que te hayan gustado estos vídeos. Si eres profesor de física recuerda que Youtube está repleto de vídeos que puedes utilizar en tus clases para ilustrar (y divertir) a tus alumnos. No desaproveches la oportunidad.

La dificultad de las predicciones teóricas necesarias para la búsqueda del bosón de Higgs

El bosón de Higgs es la última pieza del modelo estándar que queda por descubrir. Su descubrimiento requiere comparar las predicciones teóricas del modelo estándar con los resultados de los colisionadores de hadrones (colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón del Fermilab y protón-protón en el LHC del CERN). Pero estas predicciones teóricas son muy díficiles de calcular y su valor (y su incertidumbre) cambian conforme mejoran los cálculos y las técnicas para calcularlas. Estos cambios, a veces, hacen que parezca más fácil encontrar el Higgs de lo que se creía, pero otras veces, por contra, hacen que parezca aún más difícil encontrarlo. Me gustaría destacar en esta entrada el trabajo de los físicos teóricos que se dedican a realizar estos cálculos, claves en la búsqueda del Higgs (y en toda la física más allá del modelo estándar).

Hoy en día no sabemos calcular muchos de los parámetros del modelo estándar con una precisión comparable al valor experimental de consenso (obtenido a partir de tests de precisión de varios colisionadores y/o experimentos). Y si no sabemos calcular bien lo que ya está descubierto, cómo podemos confiar en los cálculos de lo que está aún por descubrir. Más aún, si se publica un límite de exclusión de la masa del Higgs (el bosón no tiene cierta masa con cierta probabilidad), dicho límite depende de predicciones teóricas que pueden cambiar conforme los cálculos se hacen más precisos. Pueden cambiar para mejor (haciendo más probable cierto canal de desintegración del Higgs de lo que se pensaba) o pueden cambiar para peor (haciéndolo menos probable). Por ello, este verano, cuando se publique el nuevo límite del Tevatrón (combinado CDF+DZero) para la exclusión de la masa del Higgs nos llevaremos una sorpresa, aunque no tiene por qué ser agradable.

La figura de arriba está extraída de Wouter Waalewijn (UCSD), “Higgs Production with a Jet Veto at NNLL+NNLO,” SCET Workshop, March 6-8, 2011, que resume su trabajo Carola F. Berger, Claudio Marcantonini, Iain W. Stewart, Frank J.Tackmann, Wouter J. Waalewijn, “Higgs Production with a Central Jet Veto at NNLL+NNLO,” ArXiv, 20 Dec 2010. La figura muestra la estimación de la probabilidad de producción del bosón de Higgs (en función de su masa) para un canal de producción concreto (la producción del Higgs a partir de un par de quarks top-antitop y su posterior desintegración en un par de bosones vectoriales W; ver la primera figura de esta entrada). Se comparan dos estimaciones teóricas, la estimación NNLO (obtenida aprox. en 2007) y la estimación NNLL+NNLO (el nuevo resultado de finales de 2010). Como muestra la figura la estimación teórica más exacta (en rojo) da un valor menor que la estimación más inexacta (en gris). A veces, mejorar la estimación teórica de la probabilidad de producción del Higgs en un canal concreto hace que el bosón parezca más fácil de descubrir (la probabilidad crece), pero otras veces, como en este caso, la probabilidad de producción decrece. Por cierto, este canal concreto es útil para la búsqueda de un Higgs con una masa por encima de los 130 GeV, donde se espera que se concentre el nuevo límite de exclusión del Higgs que publicará el Tevatrón el próximo verano y el LHC a finales de año.

Quizás te preguntes qué significan las siglas NNLO y NNLL. Los cálculos teóricos se realizan evaluando series de potencias que incluyen contribuciones de órdenes sucesivos en función de un parámetro “pequeño” (desarrollo perturbativo) que no siempre es pequeño. El término dominante se denomina LO (leading order), el siguiente NLO (next-to-leading order), NNLO (next-to-next-to-leading-order), y así sucesivamente. Si el parámetro “pequeño” utilizado realmente es pequeño, las contribuciones NNLO son mucho más pequeñas que las NLO y éstas que las LO, con lo que suponen pequeñas correcciones. En dicho caso, los valores LO y NNLO difieren poco ya que el segundo es una pequeña corrección al primero. Sin embargo, en cromodinámica cuántica (QCD) el parámetro “pequeño” no es siempre pequeño y las correcciones NNLO pueden ser tan grandes como las NLO, que a su vez pueden ser tan grandes como el término principal (LO). Como resultado las correciones sucesivas difieren mucho entre sí. Para mejorar los cálculos se pueden utilizar técnicas de resumado (también llamadas de suma a todos los órdenes) que se aplican a ciertas contribuciones (si se pueden aplicar a todas las contribuciones a la vez entonces se habla de técnicas de perturbaciones más allá de todos los órdenes). Las técnicas de resumado aplicadas a contribuciones de tipo logarítmico conducen a las correcciones LL, NLL y NNLL, donde la L final significa ”logarítmico.” La figura de arriba trata de ilustrar la idea (extraída de Werner Vogelsang, “Large-x Resummations in QCD,” 2nd HiX Workshop “Structure of the Nucleon at Large Bjorken-x,” Marseille, France, July 26-28, 2004). Un cálculo NNLO+NNLL es más preciso que un cálculo NNLO+NLL y que un cálculo NLO+NNLL. Pero no se debe olvidar que un cáculo NNLO+NNLL es muchísimo más difícil de realizar que un cálculo NLO+NLL y que el desarrollo de las técnicas de cálculo de estas contribuciones es un proceso lento.

 

En resumen, conocemos muy bien el modelo estándar pero no es fácil realizar cálculos usándolo. Se requieren técnicas avanzadas que aún están en desarrollo. Hoy en día somos de calcular lo que hace 20 años parecía imposible. Aún así, todavía nos queda mucho.

Tests de precisión del modelo estándar en el Tevatrón del Fermilab y el LHC del CERN

Hay aceleradores de partículas cuyo objetivo es descubrir nueva física y otros cuyo objetivo es mejorar la precisión con la que conocemos los parámetros de la física ya conocida. El Tevatrón (Run II) del Fermilab es un colisionador de partículas del segundo tipo; el Tevatrón (Run I) era, y el LHC del CERN es, un colisionar del primer tipo. Durante más de una década los datos de precisión del modelo estándar obtenidos con el Tevatrón serán mejores que los que se podrán obtener con el LHC. A su vez, el LHC explorará energías muy por encima de las alcanzadas por el Tevatrón. En este sentido (y en muchos otros) ambos colisionadores son complementarios (aunque el Tevatrón deje de funcionar a finales de 2011). Esta es la conclusión más importante de las charlas del congreso “Challenges for Precision Physics at the LHC,” LPNHE, Paris, 15-18 December 2010, cuyo foco han sido los tests de precisión del sector electrodébil del modelo estándar, es decir, los parámetros de precisión de los bosones vectoriales W y Z.

Hay que recordar que la física electrodébil de precisión en un colisionador de hadrones (como Tevatrón y LHC) es un poco más difícil que un colisionador de leptones (como LEP). La enorme complejidad de las “sucias” colisiones entre hadrones (el llamado “ruido QCD”) requiere técnicas de análisis mucho más sofisticadas que las necesarias en las un poco más “limpias” colisiones entre leptones. Debido a este ruido hay ciertos límites teóricos en la precisión final alcanzable. Lograr que el análisis de las colisiones en el LHC mejore los resultados de precisión del LEP y del Tevatrón requerirá un nivel de comprensión del funcionamiento de los detectores sin precedentes, nuevas técnicas de calibración, nuevas herramientas de Montecarlo, etc.; en resumen, habrá que desarrollar nuevas técnicas de análisis específicas para cada uno de los detectores (o experimentos) del LHC (algo que requerirá lustros). Todo un reto para los físicos que trabajan en el grupo de precisión electrodébil en el LHC. Así ha ocurrido en los 25 años de historia del Tevatrón. Solo en el último lustro los detectores CDF y DZero del Tevatrón se han convertido en máquinas de precisión para estudiar la física electrodébil del modelo estándar comparables en precisión a los resultados ya obtenidos con LEP.

Creo que conviene que pongamos un ejemplo (extraído del Particle Data Group). El bosón vectorial W tiene una masa de unos 80’400 GeV/c². Comparemos la incertidumbre en su masa (medida en GeV/c²) en las colisiones electrón-positrón (ee) en los detectores del LEP (colisiones con una energía menor o igual a 209 GeV c.m.). Para el experimento OPAL  con 11’8 ke (kiloeventos) es de 0’042; para DELPHI con 10’3 ke es de 0’055; para L3 con 9’9 ke es de 0’034; y para ALEPH con 8’7 ke es de 0’043. Estos números son comparables a los obtenidos con los experimentos del Tevatrón en colisiones protón-antiprotón (pp) con una energía de 1’96 TeV c.m., pero con muchísimos más eventos. Para el experimento DZero con 500 ke (kiloeventos) tenemos 0’043 y para CDF con 115 ke es de 0’034. Para alcanzar en el Tevatrón una precisión comparable a la de LEP han sido necesarios nuevas técnicas de análisis y un número de colisiones diez veces mayor. Con el LHC del CERN se necesitarán números de eventos aún mayores. Este año (2010) el LHC ha observado unos 254 ke de bosones W solo en ATLAS y la incertidumbre en la masa del W ni de lejos se accerca al valor obtenido por el Tevatrón. ¿Tanta diferencia hay entre las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón y protón-protón en el LHC? Pues sí, la hay. La producción de bosones W y Z en colisiones protón-protón presenta cierta asimetría de carga y polarización no presente en las colisiones protón-antiprotón. Al ser las colisiones en el LHC mucho más energéticas que en el Tevatrón los efectos de los quarks más pesados han de ser tenidos en cuenta con mayor detalle. Por ello, la precisión en las medidas de los parámetros del bosón vectorial W en el LHC no serán competitivas con las obtenidas en el Tevatrón durante cierto número de años. Lo mismo ocurre con otras partículas y tests de precisión del modelo estándar.

El Tevatrón del Fermilab sigue vivo y coleando

En “nueva física para el año nuevo en el experimento CDF del Tevatrón en el Fermilab,” 7 enero 2011, nos hacíamos eco de un resultado sorprendente observado en las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón que producen pares de quarks top-antitop con una energía en el centro de masas mayor de 450 GeV (alrededor del 30% de los eventos): el número de quarks top que se producen en la dirección del haz de protones (forward) es mayor que el número de los que se producen en la dirección del haz de antiprotones (backward). El modelo estándar predice que así será un 9% de las veces, pero CDF ha observado que ocurre un 48±11 % de las veces, una desviación de 3’4 sigma (5 sigma sería un descubrimiento y 3 sigma una mera fluctuación estadística). Se publica ahora un nuevo análisis (para las desintegraciones semileptónicas del quark top) que confirma el resultado anterior, la asimetría ocurre un 42±16 %, cuando el modelo estándar predice solo un 5%. ¿Hay una física más allá del modelo estándar en estos resultados? Quizás sí, quizás no. Habrá que esperar hasta las conferencias del verano de 2011 para tener más información al respecto. Aún así es interesante saber que el Tevatrón sigue “alive and kicking.” Y por cierto, este efecto es imposible de observar en el LHC del CERN donde se usan colisiones protón-protón. Nos lo han contado Jester, “CDF: curiouser and curiouser,” Résonaances, 5 March 2011, y Lubos Motl, “CDF: a new confirmation of top quark pair asymmetry,” The Reference Frame, March 05, 2011. El artículo técnico es Yuji Takeuchi et al., “Measurement of the Forward Backward Asymmetry in Top Pair Production in the Dilepton Decay Channel using 5.1 fb-1,” Conference Note, March 1, 2011.

PS (7 mar. 2011): La asimetría forward-backward en la producción de pares de quarks no se observa sólo en los colisionadores de hadrones como Tevatrón, también se observó en las colisiones entre leptones en el LEP II del CERN (colisiones electrón-positrón), como nos recuerdan G. Kirilin y K. Hagiwara en “QCD corrections to the forward-backward asymmetry in e+e annihilation in the two-jet region,” Soft Collinear Effective Theory Workshop 2011 (SCET 2011), Carnegie Mellon University, 6 March, 2011. La desviación respecto al modelo estándar observada por LEP fue de 3’2 sigma. Lo más interesante de esta asimetría es que si se utiliza el valor experimental de Afb según LEP y el Tevatrón, en lugar del valor teórico según el modelo estándar, resulta que las estimaciones teóricas de la masa del bosón de Higgs pasan de estar en el intervalo [43, 130] GeV/c² (para el modelo estándar sin modificar) a estar en [80, 203] GeV/c². Como LEP II restringió la masa del bosón de Higgs a un valor mayor de 114 GeV/c², los límites teóricos del ElectroWeak Working Group con el valor experimental para el parámetro Afb son más “razonables” y apuntan a que la observación del Tevatrón es algo más que “anuncio desesperado” ante una muerte inminente.

Por qué el espaciotiempo tiene cuatro dimensiones y las estructuras diferenciables exóticas

En topología diferencial se descubrió que el espacio cuatridimensional euclídeo admite estructuras diferenciables exóticas que no son equivalentes a la convencional; se sabe que existen las exóticas pero su descripción explícita en coordenadas es muy complicada, salvo bajo ciertas restricciones. Hay un número infinito no numerable de estructuras diferenciables en R⁴, pero sólo existe una en Rⁿ, para n≠4. Esta propiedad de un universo con cuatro dimensiones lo distingue de un universo con cualquier otro número de dimensiones posibles. Por ello, algunos físicos han tratado de utilizar las estructuras diferenciables exóticas en física como una manera de “elegir” un espaciotiempo de cuatro dimensiones entre todos los posibles. Las supercuerdas en la teoría de cuerdas se mueven en un espaciotiempo plano (de Minkowski) de 10 D (9 dimensiones espaciales y una temporal), sea M¹⁰. En un espaciotiempo plano 4D (sea M⁴), como en el que vivimos, la versión cuántica de la teoría presenta inconsistencias (probabilidades negativas y violaciones de la invarianza relativista). ¿Por qué solo observamos 4 dimensiones? Afirmar que las otras 6 dimensiones extra son muy pequeñas y compactas no nos explica el porqué; lo habitual es descomponer M¹⁰ = M⁴ × V⁶, donde V⁶ es una variedad de Calabi-Yau. Pero ¿es la única opción posible? Asselmeyer-Maluga y Krol nos proponen descomponer M¹⁰ = R⁴ × W⁶, donde R⁴ es una versión exótica del espaciotiempo plano euclidiano y W⁶ no tiene por qué ser de Calabi-Yau. Este “exotismo” es una idea realmente sugerente que todavía está en fase germinal pero que parece que capta adeptos en el contexto de la teoría de cuerdas. En mi opinión, este asunto dará bastante que hablar en los próximos años, opinión que comparto con Javier, “String theory in exotic R^4,” DiY quantum gravity, February 17, 2011; Lubos Motl también se ha hecho eco de ellos en “Are pathological mathematical structures important in physics?,” The Reference Frame, February 17, 2011. Los artículos técnicos son Torsten Asselmeyer-Maluga, Jerzy Krol, “Exotic smooth R^4, geometry of string backgrounds and quantum D-branes,” ArXiv, 14 Jun 2010; “Exotic smooth R^4 and certain configurations of NS and D branes in string theory,” ArXiv, 17 Jan 2011; y “Quantum D-branes and exotic smooth R^4,” ArXiv, 16 Feb 2011.

Os recuerdo, aunque estos temas no son fáciles de explicar. Una estructura diferenciable exótica en una variedad topológica es una que no es difeomorfa (equivalente) a la estructura diferenciable natural o estándar en dicha variedad. Milnor (1956) encontró los primeros ejemplos en las esferas S⁷ (de 7 dimensiones); una esfera (no exótica) S⁷ hereda su estructura diferenciable natural del espacio euclídeo R⁸ (de 8 dimensiones) en el que reside y las esferas exóticas tienen una que no es equivalente a esta última  (en este blog puedes leer “Esferas exóticas, el invariante de Arf-Kervaire y la hipótesis del día del juicio final“). Edward Witten, como no, fue el primer físico en utilizar las esferas exóticas en física, en 1985, aunque su uso más famoso es en su artículo de 1988 sobre la teoría topológica de campos cuánticos (topological quantum field theory). Desde entonces muchos otros físicos las han utilizado, incluso en teoría de cuerdas, pero el gran objetivo sigue aún lejano. En este sentido estos nuevos trabajos de Asselmeyer-Maluga y Krol me parece que renuevan el interés en estos asuntos (aunque yo no soy capaz de entender los detalles técnicos).

El secreto para tener un cuerpo como el de Brad Pitt o el de Angelina Jolie

Podrás mejorar tu cuerpo en tus vídeos para youtube y lograr la perfección que deseas sin necesidad de dietas y gimnasios gracias al software desarrollado por el Dr. Theobalt del Instituto Max Planck de Informática en Saarbrücken, Alemania, para procesar y mejorar el cuerpo de actores en tiempo real (aumentar el pecho, la musculatura pectoral, rebajar la cintura, incrementar la altura, etc.). Un software muy fácil de usar (como muestra el vídeo, que está en inglés) y que logra resultados espectaculares. El secreto es usar una técnica de morphing en 3+1 dimensiones que parte de un morph 3D en el primer fotograma (la parte más delicada del proceso que requiere cierta habilidad) y que sigue los movimientos del actor de forma automática durante la acción. Basta ver el vídeo para lanzar un ¡¡oh, yo también quiero!! El software se llama MovieReshape, fue desarrollado por el grupo de investigación de Christian Theobalt y publicado en Arjun Jain et al., “MovieReshape: Tracking and Reshaping of Humans in Videos,” Proc. SIGGRAPH Asia 2010, ACM Trans. Graph. 29, December 2010 [gratis en mpi-inf]. Supongo que Theobalt querrá comercializar el software (que yo sepa no está disponible gratis en la web). Habrá que estar al loro, todos queremos tener un cuerpo 10. A la Mula Francis le gustaría ser un Caballo de Jerez de Pura Raza Árabe, pero el software solo funciona para el cuerpo de humanos. ¡¿Para cuándo un software para équidos?!

La importancia de las colisiones en el LHC del CERN en la interpretación de los rayos cósmicos ultraenergéticos (UHECR)

Los programas de ordenador (QGSJET, EPOS o SIBYLL) utilizados para interpretar el comportamiento de los rayos cósmicos ultraenergéticos (UHECR), cientos de veces más energéticos que el LHC del CERN o que el Tevatrón del Fermilab, se basan en extrapolar los resultados obtenidos con estos colisionadores. Y todo el mundo sabe que extrapolar siempre es pernicioso. Hoy en día se extrapolan las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón a 1’96 TeV c.m. y las colisiones protón-protón en el LHC a 0’9, 2’36, y 7 TeV c.m. ¿Qué pasa si no se tienen en cuenta estas últimas? Los programas de ordenador fallan a la hora de explicarlas (nuevas versiones de programas como PYTHIA y PHOJET han de ser publicadas cada vez que crece la energía de las colisiones). Pero como estos programas se utilizan para entender colisiones cientos de veces más energéticas (normalizando la energía de los rayos cósmicos a la equivalente en colisiones de protones), ¿cómo fallarán estos programas a dichas escalas? ¿Realmente se pueden usar estos programas con seguridad para interpretar las observaciones de rayos cósmicos UHECR? Nos cuentan sus dudas al respecto David d’Enterria et al., “Constraints from the first LHC data on hadronic event generators for ultra-high energy cosmic-ray physics,” ArXiv, 28 Jan 2011; antes también lo hicieron O. Adriani et al., “Early results of the LHCf Experiment and their contribution to Ultra-High-Energy Cosmic Ray Physics,” ArXiv, 7 Dec 2010. Obviamente, aunque podamos tener dudas, no queda otro remedio que utilizar estos programas; D’Enterria et al. nos recomiendan usar siempre la última versión disponible (cuyos parámetros estén ajustados a las colisiones de mayor energía estudiadas en el LHC).

La verdad es que la mayoría de los físicos (y no digamos los legos) no piensan en estas cuestiones. Se da por hecho que el modelo estándar está bien comprendido a todas las energías alcanzables. Se considera que los únicos que tienen que preocuparse de estos asuntos “técnicos” son los que buscan nueva física más allá del modelo estándar en el LHC. Pero saber qué es lo que predice el modelo estándar no es trivial y el uso de programas de ordenador que simulan las desintegraciones y las colisiones de partículas elementales es un requisito imprescindible (a mano es imposible realizar los cálculos). Los parámetros de estos programas dependen de la energía y no pueden ser determinados de forma teórica con precisión. Las primeras colisiones en cualquier nuevo colisionador se utilizan para ajustar dichos parámetros y adaptar los programas a dicho colisionador. Por ejemplo, los ajustes obtenidos para las colisiones protón-antiprotón en el Tevatrón del Fermilab a 1’96 TeV c.m. no pueden ser utilizados para las colisiones protón-protón en el LHC del CERN a 7 TeV c.m., y ¡¡solo hay un factor de 3’5 en la energía de las colisiones!! El año 2010 en el LHC del CERN ha servido para ajustar estos parámetros con gran precisión, algo que agradecen los físicos que estudiarán las colisiones en el LHC durante 2011 y 2012. Pero no sólo ellos, también los que tratan de entender los rayos cósmicos.

La partícula responsable de la materia oscura podría haber sido descubierta ya

Dan Hooper, físico teórico del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory) cerca de Chicago, EE.UU., y varios colegas, afirma que las partículas responsables de la materia oscura del universo tienen una masa menor de lo esperado (unos 7 GeV/c²) y han sido observadas en tres experimentos: DAMA, CoGeNT y el telescopio espacial Fermi. Otros experimentos, como XENON100 y CDMS II descartan estas partículas, aunque Hooper opina que no de forma tajante. Los grandes aceleradores de partículas como el Tevatrón del Fermilab y el LHC del CERN tampoco las han observado, pero Hooper cree que el LHC lo hará pronto. Sus análisis indican que los resultados de todos estos experimentos son compatibles entre sí, pero otros físicos no lo ven tan claro. El 23% del universo (o el 80% de la materia del universo) se nos escapa entre los dedos, aunque por poco tiempo. Si Hooper no se equivoca, este asunto estará resuelto pronto y sus detractores tendrán que darle la razón. Nos lo cuenta Adrian Cho, “Have Physicists Already Glimpsed Particles of Dark Matter?,” News Focus, Science 331: 1132-1133, 4 March 2011. En este blog ya nos hicimos eco del trabajo de Hooper en “Partículas WIMP de materia oscura ocho veces más pesadas que el protón observadas en el centro de la Vía Láctea,” 24 octubre 2010, y en “El secreto de la materia oscura, ¿será desvelado antes de que empiece a funcionar el LHC?,” 22 noviembre 2008.

Hay tres maneras de buscar la materia oscura. Las búsquedas directas tratan de observar la colisión de una partícula de materia oscura del “halo” que rodea nuestra galaxia contra el núcleo de un átomo, provocando su retroceso y la emisión de un pequeño pulso eléctrico, de luz o de calor (estos experimentos se realizan en instalaciones subterráneas para evitar el ruido de los rayos cósmicos, como DAMA (Dark Matter) en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, Italia). Las búsquedas indirectas tratan de observar la colisión de dos partículas de materia oscura entre sí, cuyo resultado son rayos gamma u otras partículas conocidas, tanto en telescopios espaciales (como el telescopio espacial de rayos gamma Fermi), como en “telescopios” terrestres (como el sistema estereoscópico de alta energía instalado en tierra, HESS, en Namibia). Finalmente, las búsquedas basadas en los aceleradores de partículas tratan de producir nuevas partículas que puedan ser candidatos a materia oscura (como partículas supersimétricas masivas que interactúan débilmente, como las WIMPs). Los grandes avances experimentales de los últimos años en estos tres métodos de búsqueda darán sus frutos en la próxima década, casi con toda seguridad (Adrian Cho se hace eco de la opinión al respecto de la mayoría de los físicos). Pero Dan Hooper opina que ya han dado sus primeros frutos.

En octubre de 2010, Dan Hooper y sus colegas publicaron un artículo [1] en el que afirman que los datos más recientes sobre la materia oscura confirman el resultado observado en el año 2000 por el experimento italiano DAMA. Los pequeños destellos de luz emitidos por 100 kg. de cristales de yoduro de sodio durante un año mostraban un máximo en junio y un mínimo en diciembre, lo esperado si son el resultado de la colisión de partículas de materia oscura del “halo” galáctico. El Sol se mueve a 230 km/s respecto al centro galáctico y la Tierra a 30 km/s alrededor del Sol; en junio DAMA (y la Tierra) se mueve a 260 km/s respecto al “halo” galáctico y en diciembre a 200 km/s, lo que implica una reducción anual del número de observaciones en el experimento DAMA.

Tras 13 años de investigación el resultado ha sido confirmado año tras año, tanto en DAMA como en LIBRA, otro detector de Gran Sasso. Nadie pone en duda que el efecto exista. Según los físicos de DAMA/LIBRA no hay ningún efecto astrofísico que pueda explicar estos resultados, salvo la materia oscura. Pero como otros experimentos no han confirmado la observación, muchos físicos creen que la explicación podría ser otra, aunque no saben cuál (hay varias propuestas pero ninguna está considerada como definitiva).

En febrero de 2010, el detector CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology) en la mina subterránea de Soudan, en el norte de Minnesota, EE.UU., un cilindro de germanio de 440 gramos que produce señales eléctricas cuando una partícula colisiona con él, mostró un exceso en el número de eventos observados a baja energía [2]. A priori, el resultado no es compatible con el obtenido por DAMA/LIBRA, sin embargo, Hooper y sus colegas [1] afirman que cierta incertidumbre en el análisis de los datos de DAMA/LIBRA es mayor de lo publicado y que un reanálisis de los datos los hace compatibles con el resultado de CoGeNT.

Más aún, en otro artículo publicado en octubre de 2010, Hooper y Lisa Goodenough, de la Universidad de New York, analizaron los datos del satélite espacial Fermi [3]. Extrapolando los resultados del espectro de rayos gamma de alta energía obtenido por HESS han estimado el espectro de rayos cósmicos a baja energía emitido por el centro galáctico. El flujo medido por Fermi presenta un exceso respecto a esta estimación para energías entre 1 y 4 GeV que Hooper y su colega asocian a la aniquilación de partículas de materia con una masa de entre 7 y 10 GeV/c². El artículo no ha convencido a la mayoría de los expertos, pero Hooper ha publicado otros artículos refinando su análisis para tratar de covencerlos [4].

Los tres experimentos, DAMA, CoGeNT y Fermi LAT apuntan a una partícula de materia oscura de unos 7-9 GeV/c², unas 8-10 veces la masa del protón. La mayoría de los físicos esperaban que las partículas WIMP deben pesar 10 veces más, una masa similar a la de los bosones vectoriales débiles W y Z (cuya masa es 80 y 91 GeV/c²), ya que las WIMP interatúan gracias a la fuerza nuclear débil. Hooper y sus colegas en sus artículos [1] y [5] afirman que una partícula con 7 GeV/c² es compatible con todos los resultados experimentales actuales del modelo estándar y además es compatible con las predicciones de ciertas teorías supersimétricas.

En septiembre de 2010, los resultados del detector XENON100 en Gran Sasso, que contiene 170 kg de xenón, descartaban una partícula como ésta, pero un análisis posterior, publicado el 31 de enero, indica que el análisis previo podría haber incluido ciertas extrapolaciones que falsean la interpretación.

Para Hooper, la prueba definitiva de su teoría vendrá con la observación por parte de CoGeNT de una variación anual compatible con los resultados de DAMA. Pero el LHC (Large Hadron Collider) en el Laboratorio Europeo de Partículas (CERN), cerca de Ginebra, Suiza, también deberá confirmar estas partículas para estar completamente seguros y poderse proclamar que el descubrimiento es definitivo. Incluso si Hooper acaba estando equivocado, confiesa que está disfrutando en la cresta de la ola de la investigación teórica sobre la búsqueda de la partícula elemental responsable de la materia oscura del universo.

[1] Matthew R. Buckley, Dan Hooper, Tim M.P. Tait, “Particle Physics Implications for CoGeNT, DAMA, and Fermi,” ArXiv, 5 Nov 2010.

[2] The CoGeNT collaboration, “Results from a Search for Light-Mass Dark Matter with a P-type Point Contact Germanium Detector,” ArXiv, 25 Feb 2010.

[3] Dan Hooper, Lisa Goodenough, “Dark Matter Annihilation in The Galactic Center As Seen by the Fermi Gamma Ray Space Telescope,” ArXiv, 13 Oct 2010.

[4] Dan Hooper, Tim Linden, “Gamma Rays From The Galactic Center and the WMAP Haze,” ArXiv, 19 Nov 2010.

[5] Alexander V. Belikov, John F. Gunion, Dan Hooper, Tim M. P. Tait, “CoGeNT, DAMA, and Light Neutralino Dark Matter,” ArXiv, 2 Sep 2010.

[6] Chris Kelso, Dan Hooper, “Prospects For Identifying Dark Matter With CoGeNT,” ArXiv, 13 Nov 2010.

Las primeras colisiones en el LHC del CERN en 2011

Esta mañana, 3 de marzo, en la reunión de las 8:30 horas, se anunció que las primeras colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN para este año se han planificado para esta noche a las 00:00 horas del día 4 de marzo (espero que mañana pueda confirmaros que así ha sido). La luminosidad (número de colisiones por segundo) será muy baja, pero es bueno saber que el LHC está en modo colisiones de nuevo. Más información técnica en “LHC 2011 – latest news,” Thursday 3rd March, 2011.

PS: Según Philip Gibbs, “First collisions at LHC for 2011,” viXra log, March 3, 2011, las primeras colisiones fueron durante la medianoche entre el 3 y el 4 de marzo. Estas primeras colisiones son sólo pruebas del funcionamiento de la máquina tras los pequeños arreglos realizados durante las fechas navideñas. Las primeras colisiones “en serio” (para acumular datos y realizar “física de verdad”) empezarán a mediados de abril, con una luminosidad que irá creciendo conforme avance el año.

El LHC del CERN excluye un nuevo bosón vectorial W con una masa inferior a 1’58 TeV/c²

Muchas extensiones del modelo estándar de las partículas elementales predicen la existencia de nuevos bosones vectoriales intermedios, “primos” de los bosones W y Z que median la interacción electrodébil. El análisis de las colisiones protón-protón observadas en el experimento CMS del LHC en el CERN a 7 TeV en el centro de masas obtenidas durante 2010 permite excluir un nuevo bosón vectorial W, llamado W′ (W-prima), con una masa inferior a 1’58 TeV/c² al 95% C.L. (en concreto, los canales de desintegración W′→μν (en un muón y un neutrino) y W′→eν (en un electrón y un neutrino) excluyen masas inferiores a 1’40 TeV/c² y a 1’36 TeV/c², respectivamente). Este resultado mejora el obtenido combinando las colisiones protón-antiprotón observadas en los experimentos CDF y DZero del Tevatrón en el Fermilab, Chicago, que excluyó las masas del W’ inferiores a 1’1 TeV/c² al 95% C.L. Un gran resultado teniendo en cuenta que sólo se han estudiado 36 inversos de picobarn de colisiones, una minucia comparada con los más de 7 inversos de femtobarn de colisiones estudiados en el Tevatrón. Los detalles técnicos en The CMS Collaboration, “Search for a W’ boson decaying to a muon and a neutrino in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV,” ArXiv, 28 Feb 2011 [CMS-EXO-10-015]. Más información en este blog en “Los límites inferiores para la masa de los bosones vectoriales Z’ y W’ en el Tevatrón y en el LHC,” 10 enero 2011.

Simulaciones por ordenador descubren la causa de la disminución de manchas solares en el último ciclo solar

El número de manchas solares observadas en la superficie del Sol varía de forma periódica, pasando por máximos y mínimos sucesivos. Tras el último ciclo solar, el 23, el Sol entró en un mínimo prolongado caracterizado por un campo polar magnético muy débil y gran número de días sin manchas solares. Las manchas solares son regiones fuertemente magnetizadas generadas por un mecanismo de dinamo que recrea campos magnéticos polares a través de los flujos de plasma hacia la superficie solar. Nandy et al. han desarrollado simulaciones por ordenador que demuestran que un flujo meridional rápido en la primera mitad de un ciclo, seguido por un flujo más lento en la segunda mitad, reproduce las características del mínimo de manchas solares en el ciclo 23, llegando a la conclusión de que los mínimos muy profundos están asociados con campos polares débiles. El artículo técnico es Dibyendu Nandy, Andrés Muñoz-Jaramillo, Petrus C. H. Martens, “The unusual minimum of sunspot cycle 23 caused by meridional plasma flow variations,” Nature 471: 80–82, 03 March 2011. Más información divulgativa en español en Jesús Cobas, “Resuelto el misterioso caso de la disminución de manchas solares,” Jesús Cobas, 02 marzo 2011, que ha traducido a Charles Q. Choi, “Mysterious Case of Missing Sunspots Solved,” SPACE.com, 02 March 2011. Y también en

Las observaciones telescópicas pioneras de Galileo Galilei y de Christopher Scheiner en el siglo XVII iniciaron la observación y contaje de las manchas solares. Unos 400 años de de observación han mostrado que sólo en el período 1645-1715 dC, conocido como el mínimo de Maunder, cuando casi no se observaron manchas solares, la serie temporal de las manchas solares muestra una variación cíclica pasando por épocas sucesivas de máxima y mínima actividad. El nuevo artículo ha desarrollado un nuevo modelo de la dinámica solar que resuelve las ecuaciones de evolución para las componentes toroidal y poloidal del campo magnético solar (escritas en la figura) con las que han estudiado más de 210 ciclos solares correspondientes a 1.860 años. Estas simulaciones estudian el efecto del cambio de los flujos meridionales mediante la introducción de fluctuaciones en el flujo meridional.

En la gráfica inferior izquierda de la figura, v_n es la velocidad del flujo durante el mínimo de manchas solares del ciclo n, v_n−1 es la velocidad durante la parte más temprana del ciclo, donde el númeor de manchas está creciendo, y v_n−v_n−1 denota el cambio en la velocidad de flujo entre las partes del ciclo donde el número de manchas cae y crece durante un ciclo. Los autores han observado una buena correlación entre la fuerza del campo polar y la diferencia v_n−v_n−1 con un coeficiente de correlación r = 0’87 con probabilidad P = 99’99%. La conclusión es que un cambio del flujo meridional interno de rápido a lento resulta en mínimos solares profundos. Los resultados del modelo son robustos con respecto a cambios razonables en la parámetros del sistema.

Estos resultados obtenidos gracias a simulaciones por ordenador deberán ser confirmados por los experimentos. Los autores esperan que el Observatorio de Dinámica Solar (SDO) de la NASA proporcionará datos más precisos sobre la estructura de los flujos de plasma en el interior del Sol que podrán confirmar y/o complementar los resultados de sus simulaciones.

Por qué la teoría MOND requiere la existencia de la materia oscura

Mucha gente cree que la teoría MOND implica que la materia oscura no existe. Todo lo contrario. La teoría MOND no explica las anisotropías en el fondo cósmico de microondas (CMB) que son sensibles a la existencia de materia oscura en universo temprano. Los picos impares del espectro multipolar del CMB son más altos y los picos pares son más bajos en un universo temprano dominado por la materia oscura, en contraposición a un universo dominado por la materia ordinaria (como en la primitiva teoría MOND). En realidad la “teoría” MOND no es una teoría aplicable a nivel cosmológico; se ha de utilizar la teoría TeVeS de Bekenstein (la versión covariante más aceptada de la “teoría” MOND). Como muestra la figura, MOND (TeVeS) contradice los datos obtenidos por el satélite WMAP para el CMB, por lo que MOND (sin materia oscura) es una teoría incorrecta (al menos a escala cosmológica). Por ello, muchos físicos especialistas en MOND creen que la materia oscura existe y es parte íntegra de la teoría MOND, pero que no es necesaria para explicar las curvas de rotación galáctica; la materia oscura en la teoría MOND sólo es necesaria a escala cosmológica, para explicar la dinámica de los cúmulos y supercúmulos galácticos y el CMB. Mucha gente cree que como los teóricos de MOND afirman que la materia oscura no es relevante en la dinámica galáctica, también afirman que no existe, pero no es cierto. La materia oscura es parte íntegra de las ideas de la teoría MOND. Algún lector se preguntará ¿entonces para qué queremos substituir la gravedad de Einstein por MOND? Como siempre, el asunto es cuestión de gustos (ciertas curvas de rotación galáctica son explicadas mejor por MOND que por la materia oscura, otras al contrario). Lo que me gustaría aclarar es que el modelo cosmológico de consenso no incluye a MOND por razones muy firmes. La ciencia de conssenso nunca es cuestión de gustos. MOND no explica el CMB y punto. Como nos recuerda Sean Carroll, “Dark Matter: Just Fine, Thanks,” Cosmic Variance, February 26th, 2011. La predicción de la teoría MOND (TeVeS) para el fondo cósmico de microondas se publicó en C. Skordis, D. F. Mota, P. G. Ferreira, C. Boehm, “Large Scale Structure in Bekenstein’s theory of relativistic Modified Newtonian Dynamics,” Phys. Rev. Lett. 96: 011301, 2006 [gratis en ArXiv en 2005].

Os recuerdo a los despistados: el físico Mordehai Milgrom, del Instituto Weizmann de Ciencia en Rehovot, Israel, propuso en 1983 que las leyes de Newton no eran correctas a escala galáctica, la llamada Dinámica Newtoniana Modificada (MOND), que permite explicar las curvas de rotación galáctica utilizando sólo la materia visible (sin usar la materia oscura que Fritz Zwicky introdujo para explicar las velocidades orbitales de las galaxias en los cúmulos galácticos y que Vera Rubin aplicó a las curvas de velocidad de las estrellas en las galaxias). La teoría MOND ”funciona bien para la escala ‘pequeña’ de galaxias individuales, pero no te dice mucho sobre el universo a escalas de grandes cúmulos galácticos y por encima, donde el universo se describe bien mediante la teoría de la materia oscura,” como afirma Stacy S. McGaugh en una noticia que ha traducido Kanijo, “Galaxias ricas en gas confirman una predicción de la Teoría de la Gravedad Modificada,” Ciencia Kanija, 23 feb. 2011 [original en inglés]. La noticia ha aparecido de forma incorrecta en muchos medios como una confirmación de la teoría MOND y una refutación de la materia oscura, lo que ha provocado la indignación de Sean Carroll. Por cierto, el artículo técnico, para los interesados en los detalles, es Stacy S. McGaugh, “A Novel Test of the Modified Newtonian Dynamics with Gas Rich Galaxies,” Physical Review Letters, in press [ArXiv, 18 Feb 2011].

“McGaugh’s new paper doesn’t give any evidence at all against dark matter. What it does is to claim that an alternative theory (MOND) provides a good fit to a certain class of gas-rich galaxies. That’s an interesting result!” Sean Carroll

La teoría MOND no es aplicable a escala cosmológica por las mismas razones por las que no es aplicable la teoría de Newton. Es necesario una versión covariante, como la relatividad general de Einstein. La versión covariante más aceptada que se reduce a MOND a pequeña escala es la teoría de Jacob Bekenstein llamada Teoría Tensorial-Vectorial-Escalar (Tensor-Vector-Scalar o TeVeS). Para muchos físicos en la actualidad, MOND y TeVeS es lo mismo. Para Sean Carroll la teoría TeVeS tiene pocas ventajas sobre la teoría general de la relatividad, especialmente porque su formulación matemática es mucho más complicada. Basta comparar los lagrangianos (acciones) de cada una de estas teorías:

Una teoría más complicada, que no explica la dinámica de los cúmulos galácticos (requiere la materia oscura como nos recuerda R.H. Sanders, “Clusters of galaxies with modified Newtonian dynamics (MOND),” ArXiv, 12 Dec 2002), que no explica la dinámica estelar de las galaxias enanas esferoidales (algo conocido desde 1992 y que todavía no tiene explicación como nos revisa A. Kosowsky, “Dwarf Galaxies, MOND, and Relativistic Gravitation,” Advances in Astronomy, 2009) y que tiene otros problemas menores, es una difícil alternativa a la gravedad de Einstein con la adición de la materia oscura, una teoría que pronto cumplirá un siglo.

Quien quiera ver y/o escuchar una conferencia de Sean Carroll sobre MOND y la materia oscura disfrutará con “Dark Matter vs Modified Gravity,” KITP Program: Applications of Gravitational Lensing: Unique Insights into Galaxy Formation and Evolution, Nov 02, 2006.