La precesión del vórtice meridional venusiano es la causa de su dinámica compleja

Este vídeo muestra la dinámica de un vórtice atmosférico en el polo sur del planeta Venus observado por el instrumento VIRTIS (Visible and InfraRed Thermal Imaging Spectrometer) en la sonda espacial Venus Express de la ESA. Este vórtice tiene una dinámica mucho más compleja que la de los vórtices polares  de otros planetas del Sistema Solar. Luz et al. publican en Science un nuevo análisis que muestra que el centro de este vórtice realiza una precesión alrededor del polo sur venusiano con un ángulo de unos 3 grados de latitud (unos cientos de kilómetros) y con un periodo entre 5 y 10 días terrestres. Esta precesión parece ser la razón de la gran variabilidad del vórtice. Un fenómeno curioso que requerirá una explicación teórica más detallada en el futuro próximo. El artículo técnico es D. Luz, D. L. Berry, G. Piccioni, P. Drossart, R. Politi, C. F. Wilson, S. Erard, F. Nuccilli, “Venus’s Southern Polar Vortex Reveals Precessing Circulation,” Science Express, Published 7 April 2011.

Muchos planetas del Sistema Solar, incluida la Tierra, presentan vórtices polares, similares a huracanes, donde las nubes y los vientos giran rápidamente alrededor de los polos. Algunos son tan extraños como la estructura hexagonal observada en Saturno, pero ninguno de ellos es tan variable o inestable como el vórtice del polo sur de Venus. Este vórtice fue captado por primera vez en 1974 por la sonda Mariner 10. En abril de 2006 la llegada de la sonda Venus Express permitió un análisis detallado. El instrumento VIRTIS ha mostrado que el vórtice del polo sur venusiano tiene una forma y estructura interna muy variable, que cambia cada pocas horas terrestres. El vórtice puede tomar formas tipo “S” o tipo “8″ o incluso formas irregulares de apariencia caótica. El nuevo artículo de David Luz y sus colegas afirma que esta gran variabilidad es debida a que el centro del vórtice no coincide con el polo sur geográfico. ¿Le pasa lo mismo al vórtice del polo norte? No se sabe, aunque los autores del artículo creen que así podría ser. El problema es que la misión Venus Express tiene una órbita muy elíptica y pasa muy cerca del polo norte, por lo que sólo puede observar una pequeña región de la atmósfera. Reconstruir la dinámica de dicho vórtice requerirá el desarrollo de nuevas técnicas de análisis. Quizás antes de 2014, cuando la Venus Express deje de enviar datos, se puede verificar si la dinámica del vórtice septentrional es tan variable como la del meridional.

Elsevier retracta 11 artículos del químico brasileño Claudio Airoldi por posible fraude científico

Uno de los químicos más prestigiosos de Brasil, el profesor Claudio Airoldi de la Universidad de Campinas (Unicamp), la segunda universidad por producción científica de Brasil, ha sido acusado de fraude en 11 artículos publicados en revistas internacionales de la editorial Elsevier entre 2008 y 2010; dicha editorial ha decidido retractar en bloque dichos artículos. Su universidad, Unicamp, y el Ministerio de Ciencia de Brasil han convocado sendas comisiones para dictaminar si las acusaciones contra el Dr. Airoldi tienen fundamento. “La Unicamp tomó conocimiento de las acusaciones e instauró una investigación interna para verificar los hechos y adoptar las medidas institucionales adecuadas para el caso. El procedimiento deberá ser concluido en 30 días.” Airoldi, a sus 68 años, quizás esté libre de culpa, por lo que todo el mundo apunta con el dedo a su coautor, Denis Guerra, que en dichos artículos fue su alumno de doctorado y hoy trabaja en la Universidad Federal de Mato Grosso (UFMT). Guerra se defiende afirmando que “es una acusación absurda, lo que está ocurriendo es una falta de respeto con un científico de reconocido prestigio; hemos enviado las pruebas (para desmentir las acusaciones) y hasta ahora no hemos obtenido respuesta.” Me duele este asunto por dos razones. Estuve hace unos años en dicha universidad (UFMT en Cuiabá, Mato Grosso) impartiendo unas conferencias sobre métodos numéricos. El único alumno que decidió que yo le dirigiera su tesis doctoral desde España acabó realizando su tesis doctoral en Unicamp. No, no seas mal pensado, no es Denis. No diré su nombre (hay un futbolista brasileño en España con su mismo nombre de pila). Ya es doctor, pero no en química, sino en informática teórica (yo le propuse una tesis en biomatemática numérica). Me apena que revistas como Science se hagan eco de este tipo de noticias, pero ya se sabe, a los estadounidenses les encanta sentirse superiores a los que tienen al sur. Afortunadamente, la noticia es breve, “Alleged Fraud Spurs New Scientific Integrity Commission,” Science 332: 154-155, 8 April 2011. Lo sé, no debería hacerme eco de estas noticias. Me apena el asunto, pero al mismo tiempo MT me trae muy buenos recuerdos. La prensa brasileña quizás ha cortado cabezas antes de tiempo: “Professor da Unicamp é acusado de fraudar pesquisa. Investigação internacional constatou que professor Claudio Airoldi adulterou resultados de artigo científico,” Folha.com, Ciência, 31 março 2011.

PS (11 arb. 2011): Más información en amarcus41, “Elsevier weighs in on Brazilian fraud case,” Retraction Watch, March 29, 2011 [recomiendo los comentarios].

El astrofísico Martin Rees gana el Premio Templeton dotado con 1’6 M$

El Premio anual de la Fundación Templeton es el mejor dotado del mundo (este año con 1 600 000 dólares). Este año ha sido concedido al famoso astrofísico Martin Rees por sus “profundos conocimientos sobre el cosmos [que] han provocado cuestiones vitales sobre las mayores esperanzas de la humanidad y sus peores temores.” Martin Rees es profesor del Trinity College de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, tiene un escaño en la Cámara de los Lores y fue presidente de la Royal Society desde 2005 hasta noviembre de 2010. Ha escrito numerosos libros y artículos sobre las cuestiones filosóficas planteadas por la cosmología y la física de los primeros instantes del universo, así como sobre las actividades humanas que determinarán el futuro de la Tierra. Como bien sabrás, la Fundación Templeton premia a personas que han “hecho contribuciones excepcionales sobre la dimensión espiritual de la vida,” normalmente a científicos que estudian la frontera entre la religión y la ciencia. Rees, que confiesa que no es religioso, ha afirmado que nunca soñó con ser un ganador de este premio, teniendo en cuenta a quiénes había sido concedido en ocasiones anteriores. Ahora que ha sido galardonado con este premio se ha atrevido a confesar que sus contribuciones sobre la filosofía y la ética en la investigación científica podrían estar “inspiradas” por las contribuciones de la religión a las artes. Ya se sabe, a caballo regalado no le mires el dentado.

Por qué los científicos están vacunando a los mosquitos en lugar de a los enfermos de dengue

Para combatir el dengue en Australia se ha desarrollado una nueva técnica de control de insectos: vacunar en laboratorio huevos de mosquito con la bacteria Wolbachia pipientis, que es inocua en humanos, que se dejan en libertad para que cuando eclosionen infecten a otros mosquitos con dicha bacteria; se estima que 40 mosquitos pueden infectar a unos 6000 en solo una semana. Scott O’Neill, de la Universidad de Queensland, y sus colegas han dejado en libertad unos 72 000 (huevos de) mosquitos vacunados en el norte de Australia y están realizando un seguimiento de su efecto sobre la epidemiología del dengue en la zona. Los resultados provisionales indican que el 25% de las larvas en la población natural en la que se ha aplicado la técnica de O’Neill están ahora infectadas con la bacteria Wolbachia. El próximo verano se ensayará esta técnica también en Vietnam. Esta técnica de control de insectos parece más “políticamente correcta” que las técnicas de ingeniería genética que modifican el ADN del mosquito para que deje de ser un vector transmisor del virus del dengue. Ya se sabe, todo lo GM tiene mala prensa. Nos lo ha contado Rebecca Coffey, “Dengue Fever: Infectious disease Outsmarting,” Scientific American, April 2011.

Os recuerdo. El dengue es una enfermedad vírica aguda (producida por el virus del dengue) que es transmitida por el mosquito Aedes aegypti, que se cría en el agua acumulada en recipientes y objetos en desuso. Una enfermedad que sufren entre 50 y 100 millones de personas en áreas tropicales y subtropicales (Centroamérica, Sudamérica, México, África y norte de Australia); yo he sufrido en propias carnes las campañas de desinfectación de las casas para evitar la propagación de la enfermedad en Cuba. Por cierto, hay cuatro serotipos del virus del dengue, DEN-1, DEN-2, DEN-3, y DEN-4, que producen cuatro enfermedades similares pero distintas. No es una enfermedad mortal (salvo excepciones) pero es motivo de ingreso en un hospital.

Un tecnopión de 150 GeV/c² podría ser la explicación de la anomalía observada en el Tevatrón del Fermilab

“La calenturienta mente de los físicos teóricos está siempre atenta a cualquier anomalía observada en los experimentos” como ya dije hace un par de días al hablar de “un bosón Z’ leptofóbico que logra explicar varias anomalías …” No es la única explicación posible. Un nuevo artículo teórico afirma que la teoría del tecnicolor (una nueva interacción similar a la interacción fuerte propuesta como alternativa a la existencia del bosón de Higgs) también explica dichas anomalías. Un tecnopión explicaría el exceso a 3’2 sigma localizado a energías de unos 150 GeV en el espectro de masas asociado a la producción conjunta de un bosón W y dos chorros de hadrones (espectro Wjj). Obviamente se trata de un retruque técnico, ya que el tecnicolor se suele asociar a escalas de energías más altas, del orden 1000 GeV, y no a unos cientos de GeV. Sin embargo, la idea es sugerente, como las curvas de una danzarina del baile de los siete velos. El artículo técnico, para los interesados en los detalles es Estia J. Eichten, Kenneth Lane, Adam Martin, “Technicolor at the Tevatron,” FERMILAB-PUB-11-165-T, ArXiv, submitted on 6 Apr 2011.

La propuesta de Eichten, Lane y Martin es la desintegración de un tecnorho ρ_T con una masa de unos 290 GeV en un tecnopión π_T con una masa de 160 GeV y un bosón W (es decir, ρ_T → π_T + W); el tecnopión decaería en dos chorros hadrónicos. El tecnopión sería la partícula (compuesta) tecnicolor de menor masa e implicaría que el tecnicolor es una interacción observable a una escala de solo cientos de GeV. En mi opinión personal, no soy experto en estos asuntos, es que esta propuesta es más exótica de lo razonable. Aún así, creo que debía hacerme eco de ella.

Os recuerdo a los despistados. La teoría del tecnicolor trata de explicar la masa de los bosones vectoriales W y Z sin utilizar el bosón de Higgs gracias a un efecto similar al que explica la masa del protón, mucho mayor que la de los tres quarks de valencia que lo forman; la masa del protón proviene del campo que une estos quarks entre sí, un mar de gluones y pares quark-antiquark virtuales. Para explicar la masa de los bosones W y Z es necesario introducir una nueva interacción parecida al “color” que se ha llamado “tecnicolor” que logra explicar la ruptura de simetría electrodébil de forma dinámica (no sería una ruptura espontánea como en el mecanismo de Higgs). El gran problema del tecnicolor (en su versión original) es que sólo explica la masa de los bosones W y Z, cuando el bosón de Higgs también puede explicar la masa de todas las demás partículas. Por supuesto, hay extensiones del tecnicolor que también permiten explicar dichas masas pero a costa de complicar las cosas, introduciendo nuevas interacciones gauge. Normalmente se asume que si el LHC del CERN no encuentra un bosón Higgs con una masa menor de 1 TeV, el tecnicolor podría ser la respuesta ya que el equivalente al Higgs en esta teoría tendría una masa mayor de 1 TeV (en su versión convencional). El tecnicolor predice la existencia de nuevos fermiones similares a los quarks, llamados tecnofermiones o tecnoquarks, y partículas ligadas formadas por dos o tres de estos tecnofermiones llamadas tecnomesones y tecnobariones, respectivamente. El equivalente al Higgs en el tecnicolor sería un tecnomesón (bosón pseudoescalar de Goldstone) compuesto de dos tecnoquarks. Pocas veces se ha pensado en que el tecnicolor fuera una teoría correcta a escalas de energía por debajo de 1 TeV como propone el nuevo artículo, pero quien sabe, la física de partículas está repleta de sorpresas.

PS: Los interesados en más información en español sobre la anomalía observada por CDF del Tevatrón disfrutarán con la traducción de Kanijo, “Los físicos de Fermilab ven algo raro,” 07 abr. 2011, donde podemos leer “los investigadores estiman que las posibilidades estadísticas de que [se trate de] una señal falsa son de 1 entre 1300. “Hay mucho ruido ahí dentro,” dice Joseph Lykken, teórico del Fermilab que no estuvo implicado en el trabajo. “He recibido muchas preguntas a ese respecto”. Entonces, ¿es algo seguro? No mucho, dice Lykken. El análisis depende de forma crítica de la comprensión de los chorros [hadrónicos] por parte de los físicos y los chorros son cosas muy complejas. Por lo que los investigadores deben estar absolutamente seguros de que no han confundido esos eventos con los que contienen una nueva partícula. “La verdadera cuestión es cómo de bien comprendemos el [trasfondo], no sólo teóricamente, sino en términos de cómo aparecerá en el detector”, dice Lykken.”

XVIII Carnaval de la Física: Blas Cabrera y la física experimental en España en el s. XX

Conferencia Solvay de 1930.

La Física es una ciencia joven en nuestro país [España] donde nació en las primeras décadas del s. XX. El primer físico experimental español que ocupó un lugar dentro de la comunidad científica internacional fue Blas Cabrera en el campo del Magnetismo de la Materia, una rama de la Física del Estado Sólido o de la Física de la Materia Condensada. Blas Cabrera en 1925 logró realizar el experimento correcto en el momento correcto para pasar a la historia de la física a nivel internacional. Las medidas de Cabrera de la susceptibilidad paramagnética de algunos compuestos de tierras raras fueron claves para la ratificación de las reglas de Hund para estimar los momentos angulares y magnéticos de los átomos. Pero además permitieron descubrir ciertas anomalías (valores más altos de los esperados) que fueron interpretadas por J. H. Van Vleck como efecto del paramagnetismo inducido en los átomos. En 1925 el trabajo de Cabrera fue un logro clave para fundamentar el trabajo de Van Vleck, aunque no llegó a ser premiado con el Premio Nobel de Física (Van Vleck recibió el Premio Nobel en 1977 por su trabajo teórico). Nos lo cuentan Antonio Hernando Grande y Juan Manuel Rojo Alaminos, “La Física de la Materia Condensada en España,” Revista de la Real Sociedad de Fïsica, pp. 10-16, Octubre-Diciembre 2009. Esta entrada está basada en recopilar extractos de dicho artículo.

Resulta sorprendente que un científico español pudiera ser responsable de unas medidas tan oportunas para la vanguardia de la investigación Física en 1925, dada la acusada falta de tradición española en Física Experimental hasta dicha época. Clave para el logro de Cabrera fue la política de becas para el establecimiento de lazos con instituciones extranjeras de la Junta de Ampliación de Estudios que hizo posible su viaje a Zurich en 1912. Tras este viaje Cabrera decidió dedicarse a investigar el magnetismo en la materia. Entre 1912 y 1928 Cabrera publicó 60 artículos de investigación sobre magnetoquímica, disociación electrolítica y magnetorresistencia, entre otros asuntos. El prestigio de Cabrera en dicha época queda atestiguado por su nombramiento como “Miembro del Comité Científico” de las Conferencias Solvay de Física en 1928 (un comité formado por sólo 9 miembros que tenía como función escoger al resto de invitados a las conferencias Solvay). La candidatura de Cabrera fue propuesta por dos Premios Nobel, nada más y nada menos que Albert Einstein y Marie Curie. La sexta conferencia Solvay en 1930 tuvo como tema monográfico el Magnetismo. Cabrera fue uno de los 26 participantes, entre los que ya había 12 Premio Nobel de Física. Veinte años antes hubiera sido impensable que un español asistiera a esta conferencia como mienbro del Comité.

Blas Cabrera, republicano, se exilió de España en octubre de 1936 (tras el alzamiento militar del 18 de julio). Trató de volver en 1939, pero el nuevo régimen no se lo permitió. Entre 1937 y 1941 residió en París donde publicó varios trabajos de investigación. En 1941 abandonó París y se dirigió a México, donde residió hasta su muerte en agosto de 1945. La Física del Estado Sólido en España desde 1945 hasta 1969 fue más teórica que experimental, brillando a nivel internacional gracias Federico García Moliner (que se había doctorado en la Universidad de Cambridge). En 1969 Nicolás Cabrera, hijo de Blas, retornó  España para fundar el Departamento de Física de la Universidad Autónoma de Madrid. La física experimental resurgió con fuerza en España en los setenta del siglo pasado y en la actualidad tanto la física experimental como la teórica que se desarrollan en España tiene un nivel muy bueno a nivel internacional, pero su estado actual nos llevaría mucho más lejos de los objetivos de esta entrada.

El trabajo de Blas Cabrera en 1925 fue clave para el trabajo de los ganadores del Premio Nobel de Física de 1977, concedido 32 años después de su fallecimiento. Sirva esta entrada para recordar a uno de los grandes físicos españoles del s. XX, padre y abuelo de grandes físicos. Esta entrada es mi primera participación en la XVIII Edición del Carnaval de la Física organizada por Daniel Martín Reina desde Sevilla, España, desde su blog ”La Aventura de la Ciencia.” Esta edición cuenta con una pequeña novedad: los internautas podrán votar la entrada que más les haya gustado de la presente edición. El voto se podrá realizar en los comentarios a la entrada-resumen que publicaré el día 30 de abril. El ganador recibirá un premio honorífico. No, no va a ser un jamón. El plazo para publicar las entradas empezó el 3 de abril y terminará el 25 de abril. ¡Venga, anímate a participar en el Carnaval de la Física!

PS: Más información sobre Blas Cabrera y las conferencias Solvay en Javier Peláez, “Blas Cabrera, el olvidado padre de la física española,” La Aldea Irreductible, 1 de octubre de 2009: “Su nombre debería decirme algo… debería sonarme, sobre todo por la inscripción que reza en la base de su modesta escultura a modo de busto: Blas Cabrera Felipe, Padre de la Física española.”

El experimento MEG apunta a la transformación supersimétrica de un muón en un electrón

 

Izquierda: Ejemplo de evento observado de conversíon de un muón en un electrón. Derecha: corte transversal del experimento.

Todavía es pronto para afirmar nada con rotundidad, pero el experimento MEG ha observado varios eventos de la conversión de muones en electrones y fotones, un proceso similar a la oscilación de “sabor” entre los neutrinos pero que está mediado por la supersimetría. Este verano, tras el análisis del doble de datos por parte de MEG, este efecto relumbrará más o se apagará cual vela de cera al viento. Además, la confirmación definitiva tendría que esperar a 2017 cuando el experimento Mu2e, que sustituirá al Tevatrón en el Fermilab y cuya construcción se iniciará en 2013, empiece a tomar datos. Nos lo ha contado Kathryn Grim, “MEG experiment may give boost to supersymmetry,” Symmtery Breaking, April 4, 2011; se ha hecho eco de esta noticia Lubos Motl, “Did MEG see muons decaying to electrons?,” The Reference Frame, April 04, 2011.

MEG (Mu-E-Gamma) es un experimento localizado en el Instituto Paul Scherrer en Suiza que estudia la conversión de muones (“electrones pesados” de segunda generación) en electrones, acompañados de la emisión de luz (rayos gamma), es decir, los procesos

μ^- → e^- + γ ,                          μ⁺ → e⁺ + γ  .

Hasta el momento, el cambio de “sabor” en los leptones no ha sido observado (los primeros resultados de MEG tampoco lo observaron, como nos contó Elisabetta Baracchini (MEG Collaboration), “First Result From The MEG Experiment,” ArXiv, 14 May 2010). Como ocurre con la desintegración del protón, este proceso es extremadamente poco probable. Sin embargo, si la supersimetría es una simetría de la Naturaleza, este proceso debería estar permitido. El experimento MEG es sensible a este proceso con una probabilidad (branching ratio) de 10^-13, es decir, una de cada 10 billones de desintegraciones (según el modelo estándar este número debería ser menor de 10^-20).

Un bosón Z’ leptofóbico logra explicar varias anomalías a 3 sigma observadas en el Tevatrón del Fermilab

La calenturienta mente de los físicos teóricos está siempre atenta a cualquier anomalía observada en los experimentos y les permite predecir nuevas partículas con propiedades exóticas. Un nuevo bosón vectorial electrodébil Z′ con una masa aproximada entre 140-150 GeV/c² y leptofóbico, que se acopla mucho más a los quarks que a los electrones y los muones, puede explicar tres anomalías a 3 sigma observadas en el Tevatrón del Fermilab. Gracias a su leptofobia (o hadrofilia) su existencia no contradice los límites actuales que excluyen un bosón Z′ con una masa inferior a 1 TeV/c². El nuevo Z′ explica el exceso a 3’3 σ en la distribución observada en el dectector CDF de colisiones con dos chorros y un bosón W (ver la figura que abre esta entrada), el exceso a 2 σ de eventos con al menos 3 chorros cuyo origen son quarks bottom (b) tanto en CDF como DZero, y la discrepancia a 3’4 σ entre CDF y el modelo estándar para la asimetría forward-bacwkard (hacia adelante-hacia atrás) en la producción de quarks top y antiquarks top. El nuevo  Z′ leptofóbico se acopla fuertemente a los quarks ligeros  y débilmente a los leptones  . El exceso de chorros asociados a quarks bottom (b) observado en CDF se podría explicar si el acoplamiento del nuevo Z′ leptofóbico es mayor con el quark bottom que con el quark up. Obviamente, si el nuevo bosón existe será observado en el LHC del CERN durante este año (tanto en LHCb como en ATLAS y CMS). Para los interesados en los detalles técnicos: Matthew R. Buckley, Dan Hooper, Joachim Kopp, Ethan Neil, “Light Z’ Bosons at the Tevatron,” ArXiv, 30 Mar 2011.

Un nuevo bosón vectorial electrodébil Z′ implica una extensión de las simetrías del modelo estándar a SU(3)×SU(2)×U(1)×U(1)′, algo predicho por varias teorías de gran unificación como las basadas en SO(10) y E6. Si bien no es un candidato razonable a  partícula de materia oscura, su existencia tiene importantes implicaciones en relación al problema de la materia oscura. Si la partícula de materia oscura (χ) estuviera acoplada a este bosón Z′ con un acoplamiento del orden de 0’1 sus propiedades podrían explicar las señales observadas en los experimentos CoGeNT y DAMA/LIBRA (que estudian la interacción entre las partículas de materia oscura y los núcleos atómicos del materia de sus detectores); para los físicos la expresión final es la siguiente.

PS (4 abr. 2011): Más sobre este tema en Felix Yu, “A Z’ Model for the CDF Dijet Anomaly,” ArXiv, 1 Apr. 2011.

PS (6 abr. 2011): Gran entrada de Flip Tanedo, “A hint of something new in “W+dijets” at CDF,” US LHC BLOG, 05 Apr 2011, que nos explica en inglés el nuevo resultado de la Colaboración CDF, “Invariant Mass Distribution of Jet Pairs Produced in Association with a W boson in p-pbar Collisions at Sqrt(s) = 1.96 TeV” [arXiv:1104.0699]. La figura que abre mi entrada, pero sin eliminar el background, es la figura que abre la entrada de Flip:

PS (7 abr. 2011): Más entradas sobre este tema aquí, aquí, aquí, aquí, aquí, aquí, aquí, aquí, aquí, aquí y aquí. Obviamente, al final sólo será una simple fluctuación estadística… de la que casi todo el mundo se ha hecho eco. Como muy bien nos cuenta Tommaso (coautor del artículo de CDF): “I do not particularly like to play the die-hard sceptic but I believe this is nothing but the umpteenth would-be new physics signal, destined to be buried by the analysis of further data, by the crafting of more precise simulations, or by the better understanding of Standard Model sources;“ recomiendo Dorigo, “Is That A New Massive Particle? Is That Some Kind Of Higgs?,” A Quantum Diaries Survivor, April 6th 2011.

PS (8 abr. 2011): Otros artículos que discuten la posibilidad de que la anomalía Wjj sea un bosón Z’ bariónico (o cromofílico) son Kingman Cheung, Jeonghyeon Song, “Tevatron Wjj Anomaly and the baryonic Z’ solution,” ArXiv, 7 Apr 2011, y J. A. Aguilar-Saavedra, M. Perez-Victoria, “No like-sign tops at Tevatron: Constraints on extended models and implications for the t tbar asymmetry,” ArXiv, 7 Apr 2011.

Por qué es difícil descubrir el bosón de Higgs

El bosón de Higgs es una partícula que no se puede observar de forma directa en el LHC del CERN o en el Tevatrón del Fermilab ya que su vida media es demasiado corta para dejar una traza visible: si se produce un Higgs en una colisión se desintegrará tan rápido que lo único que se podrá observar son los resultados de su desintegración (lo mismo le pasa al quark top). Como el bosón de Higgs interactúa con cualquier partícula que tenga masa en reposo no nula, sus productos de desintegración son de una diversidad enorme, lo que dificulta mucho saber si los productos de una desintegración concreta corresponden a una colisión que ha producido un Higgs o a una que no lo ha producido. Me ha gustado mucho el post de Flip Tanedo, “An Idiosyncratic Introduction to the Higgs,” US LHC Blog, 25 Mar 2011. Te recomiendo su lectura. Va directo al grano, los diagramas de Feynman que involucran al Higgs. Para los que no lean bien en inglés presentaré un resumen.

Las partículas elementales en el modelo estándar son de dos tipos: partículas de materia (fermiones), que se representan en un diagrama de Feynman con líneas continuas y flechas, y las partículas transmisoras de una interacción (bosones gauge), que se representan como líneas onduladas. El bosón de Higgs es un bosón, pero un bosón escalar, lo que le hace diferente a los otros bosones gauge como el fotón, los bosones W y Z, y los gluones que son bosones vectoriales. ¿Cuál es la diferencia entre ser escalar y ser vectorial? La diferencia más obvia es en el comportamiento de la partícula ante rotaciones (de la partícula o de los ejes de coordenadas). Un bosón vectorial es como una partícula puntual con una flecha: hay que girar la partícula 360 grados para que no cambie su estado. Sin embargo, un bosón escalar es como una partícula puntual sin flecha: la partícula se puede girar cualquier ángulo sin que cambie su estado. Por cierto, para los fermiones un giro de 360 grados no recupera el estado original, es necesario un giro de 720 grados para lograrlo.

En un diagrama de Feynman el bosón de Higgs se representa por una línea discontinua (la “h” no es necesaria):

En un diagrama de Feynman la interacción entre varias partículas se representa mediante un vértice en el que coinciden estas partículas. El bosón de Higgs del modelo estándar mínimo es una partícula neutra (para la carga eléctrica y para la carga de color) por lo que se puede desintegrar en un par de partículas cuya suma total de carga sea nula. Por ello un bosón de Higgs puede desintegrarse en un par de fermiones (ff o fermión-antifermión) o en un par de bosones gauge (XX, ambos neutros o de cargas opuestas).

La desintegración más probable del Higgs en dos fermiones es en un par quark-antiquark (qq), aunque también puede hacerlo en un par leptón-antileptón (ll), por ejemplo, un par electrón-positrón (ee). El acoplamiento del Higgs con los fermiones depende de la masa del fermión por lo que las desintegraciones más probables son las conducen a dos fermiones pesados: un par de quarks bottom-antibottom (bb), un par de quarks charm-anticharm (cc) y un par tauón-antitauón (ττ); para que el Higgs se pudiera desintegrar en un par de quarks top-antitop (tt) tendría que tener una masa mayor que el doble de la del quark top, o sea mayor de 346 GeV/c² (hoy en día se prefiere un Higgs mucho más ligero). La probabilidad de cada una de estas desintegraciones depende de la masa del Higgs y puede ser calculada utilizando el modelo estándar; la siguiente figura muestra curvas con el resultado.

La desintegración del Higgs en dos bosones gauge también depende de su masa. Como muestra la figura de arriba, el Higgs se puede desintegrar en un par de gluones (gg), un par de bosones vectoriales débiles (WW o ZZ), un par fotones (γγ), y un fotón y un Z (Zγ). La figura muestra en su eje vertical el Branching Ratio que es la probabilidad para cada canal de desintegración (la suma de las probabilidades de desintegración de todos los canales totaliza la unidad). Para un Higgs con una masa de 120 GeV/c² lo más probable es la desintegración bb, seguida de WW, gg, ττ, cc, ZZ, γγ y Zγ (esta última es cuatro órdenes de magnitud más pequeña que la primera). Ejercicio: cuáles son las desintegraciones más probables de un Higgs con una masa de 160 GeV/c².

En el LHC del CERN se busca la producción de un Higgs en la colisión de dos protones (en el Tevatrón del Fermilab se colisionan un protón y un antiprotón). Los protones no son partículas elementales, están compuestas de quarks, antiquarks y gluones. Hay tres quarks de valencia rodeados de un gran número de partículas virtuales, tanto gluones virtuales como pares quark-antiquark virtuales, que aparecen y desaparecen de forma constante. Los bosones de Higgs son producidos por las colisiones de partículas virtuales, una de un protón y otra del otro protón. El canal principal de producción de un Higgs en el LHC es la fusión de dos gluones virtuales, aunque la producción directa gg→h no es posible (el gluón no tiene masa en reposo), tiene que estar mediada por quarks, como muestra el siguiente diagrama de Feynman (el quark q se puede cambiar por un antiquark):

Este diagrama (gg→h) presenta un bucle cerrado de quarks en su centro. Un gluón de un protón se desintegra en un par quark-antiquark; el quark (o el antiquark) colisiona con un gluón del otro protón que lo desvía de tal forma que choca contra el antiquark (o el quark) original produciendo un bosón de Higgs. No hay que pensar mucho para darse cuenta de que la probabilidad de este diagrama es baja (es un diagrama complicado). Como el quark top es el más masivo, la producción de un Higgs por este diagrama es más probable cuando los quarks virtuales son quarks top, por lo que este diagrama es mucho más probable en el LHC (colisiones a 7000 GeV c.m.) que en el Tevatrón (colisiones a 1960 GeV c.m.). 

Otra forma de producir un Higss es mediante la producción de cuatro quarks top (dos pares top-antitop) virtuales, como muestra el siguiente diagrama de Feynman:

En este diagrama de producción del Higgs (gg→tth), además del Higgs aparecen como productos de la colisión un quark top y un antiquark top (o quark antitop), por ello, aunque el diagrama parece más sencillo tiene una menor probabilidad que el anterior.

La producción del Higgs también se da en la interacción débil entre dos quarks virtuales (uno de cada protón) a través de un par de bosones vectoriales (ambos W de carga opuesta o ambos Z, que son neutros); cuando ambos bosones vectoriales colisionan se produce un Higgs según el siguiente diagrama de Feynman:

Este diagrama (qq→qqh) se conoce como fusión vectorial porque son los bosones vectoriales W o Z virtuales los producen el Higgs.

También se produce un Higgs asociado a la de bosones vectoriales W o Z , según el siguiente diagrama de Feynman, en el que la colisión de un par quark-antiquark produce un bosón vectorial que emite un Higgs:

Aunque otras maneras de producir un Higgs en una colisión protón-protón, los cuatro diagramas anteriores son los procesos dominantes. La probabilidad de producir un Higgs por todos estos canales depende de su masa. La figura siguiente muestra las secciones eficaciones de producción (básicamente la probabilidad de producción) del bosón de Higgs en el LHC a partir de los diagramas anteriores y alguno más:

El eje vertical de la figura de arriba es la sección eficaz medida en femtobarns (fb) y permite calcular el número de bosones de Higgs producidos tras estudiar cierto número de colisiones (que se mide en inversos de femtobarn, 1/fb), la luminosidad integrada. Para el bosón de Higgs del modelo estándar el mecanismo de producción dominante en el LHC es la fusión de gluones gg→h.

¿Por qué es difícil observar el Higgs en las colisiones del LHC? El mayor problema es que los modos de producción y desintegración del Higgs producen trazas similares a muchos otros procesos que no muestran un Higgs (que en la búsqueda del Higgs se llaman procesos de “fondo” o background). Por ejemplo, la producción de Higgs por la fusión de dos gluones, acompañada de dos quarks top, resulta en la siguiente desintegración

gg → tth → blν blν bb

donde el quark (antiquark) top decae en un un quark (antiquark) bottom, un leptón y un neutrino, y el Higgs decae en un par quark-antiquark bottom. ¿Cómo se observan estos cuatro quarks bottom en los experimentos? Como estos quarks son pesados y pueden decaer en muchas otras partículas con menos masa, se produce una cadena de desintegraciones con un gran número de partículas producidas todas en cierto cono (ángulo sólido) que se denomina chorro (hadrónico). Por ello, el proceso anterior conduce a la observación de cuatro chorros de partículas, dos leptones y dos pérdidas de energía (los neutrinos no se observan directamente en el LHC). Un proceso muy complicado de analizar que se complica aún más porque cuando los leptones pesados (tauones) también pueden producir un chorro (leptónico). El resultado es que la colisión de dos gluones produce un Higgs y un par quark-antiquark top pero observamos en los experimentos las trazas de unas 100 partículas que se mueven prácticamente en todas las direcciones. Esto sería sencillo si no fuera porque muchos otras colisiones sin Higgs pueden producir cuatro chorros hadrónicos cuyas trazas en los detectores son muy parecidas a las del Higgs. La relación señal/ruido (S/N) en la producción del Higgs es muy mala y requiere acumular un enorme número de colisiones candidatas antes de que se pueda proclamar una observación fiable de esta esquiva partícula.

El descubrimiento del Higgs requerirá varios años en el LHC del CERN ya que hay que esperar que se acumule un número suficientemente alto de colisiones. Lo más razonable es que se proclame su descubrimiento o casi descubrimiento durante la primavera o el verano de 2013 (todo depende del número total de colisiones que logre acumular el LHC este año y el próximo.

Las desintegraciones más “limpias” (o con mejor relación S/N) son poco probables, como la desintegración en un par de fotones (h→γγ), proceso que no ocurre directamente (pues los fotones no tienen masa) sino a través de quarks virtuales. Este proceso es muy poco frecuente, pero su señal es muy clara y distintiva (la relación S/N es muy buena). Por ello este modo de desintegración es uno de los más prometedores (pero sólo si el Higgs tiene una masa baja, inferior a 130 GeV/c²). El problema ahora mismo es que este modo de desintegración requiere analizar un enorme número colisiones porque es muy poco probable (como muestran la figura de más arriba).

En los experimentos ATLAS y CMS del LHC, así como en CDF y DZero del Tevatrón, se está buscando al bosón de Higgs en prácticamente todos los canales de producción/desintegración posibles. Algunos canales son más prometedores que otros, por ejemplo, Julien Baglio y Abdelhak Djouadi, “Implications of the ATLAS and CMS searches in the channel pp→Higgs→ττ for the MSSM and SM Higgs bosons,” ArXiv, 31 Mar 2011, proponen que el canal gg→h→ττ podría permitir el descubrimiento de un Higss en el rango de masas 115-135 GeV/c² con unos pocos inversos de femtobarn de colisiones (es decir, que podría darse el milagro de un descubrimiento del Higgs durante el año 2012). En mi opinión, estos autores tildan de optimistas.

En resumen, descubrir el bosón de Higgs es difícil porque se acopla a todas las partículas con masa y gracias a ello se sabe esconder muy bien (con una relación señal/ruido muy mala). Pero lo que hay que tener claro es que el LHC del CERN en los próximos años (con buena suerte en 2013, pero con mala suerte en 2016) acabará siendo descubierto.

PS (04 abr. 2011): Me ha preguntado un amigo tomando un café lo siguiente (más o menos): Si existiera un bosón de Higgs, cómo cambiarían las figuras con “bandera brasileña” sobre la búsqueda del Higgs. Le he dicho que incorporaría una figura que ví hace poco. Abajo a la izquierda tenéis la figura experimental del Tevatrón a fecha de 19 de julio de 2010 para un bosón de Higgs de baja masa y a la derecha tenéis la figura teórica que se esperaría obtener si se “inyecta” un bosón de Higgs de 125 GeV/c². Como podéis comprobar ambas figuras son compatibles entre sí, es decir, los resultados del Tevatrón son consistentes con la existencia de un Higgs con dicha masa. La figura está extraída de la charla de Michael Cooke (On behalf of the CDF and DZero Collaborations), “Searches for Low-mass SM Higgs at the Tevatron,” 46th Rencontres de Moriond (QCD), March 21, 2011.

Más abajo tenéis también la figura con incluye la inyección de un Higgs con una masa de 115 GeV/c² también extraída de la charla de Michael Cooke (cuyas transparencias recomiendo a todos los interesados en más detalles).

La energía oscura como consecuencia del modelo Friedman-Lemaître-Robertson-Walker del universo

La existencia de la energía oscura concuerda con muchos datos observacionales (supernovas Ia, oscilaciones acústicas bariónicas, fondo cósmico de microondas, lentes gravitatorias débiles, grandes estructuras del universo, etc.). La interpretación de estos datos se sustenta en el uso de una solución exacta de las ecuaciones de campo de Einstein de la relatividad general para el universo en su conjunto, llamada métrica de Friedman-Lemaître-Robertson-Walker o modelo FLRW. La energía oscura podría no existir si el universo estuviera descrito por una solución diferente de las ecuaciones de Einstein, como nos propone Ruth Durrer, “What do we really know about Dark Energy?,” ArXiv, 28 Mar 2011. Recomiendo su artículo a los interesados en la energía oscura desde un punto de vista diferente al estándar (el modelo cosmológico de consenso).

PLoS ONE ya es la revista más grande del mundo en número de artículos

He buscado en el ISI Web of Science y resulta que PLoS ONE ha publicado en 2010 la friolera de 6714 artículos (y en los tres primeros meses de 2011 nada menos que 2090). PLoS ONE es la revista que más artículos ha publicado en 2010. Physical Review B ha publicado en 2010 algo menos, 6154 artículos, y la tercera creo que es PNAS con 4217 artículos. En mi búsqueda rápida estas son las tres revistas más grandes (por número de artículos publicados) en 2010. No sé si habrá alguna revista más grande. ¿Conoces alguna que sea mayor?

PLoS ONE es la revista generalista de la editorial Public Library of Science (PLoS), fundada en 2001 entre otros por Harold Varmus (Premio Nobel). PLoS ONE es la revista bandera del movimiento Open Access (OA) que reivindica que la ciencia tiene que ser de acceso gratuito, aunque para ello los autores y sus instituciones tengan que pagar por publicar (en este blog recomiendo “El buen negocio de PLoS ONE y el “pagar por publicar”,” 20 agosto 2010). PLoS ONE es una revista con un índice de impacto de 4’351, obtenido por primera vez el año pasado (en este blog nos hicimos eco en ”Ya se ha publicado el nuevo JCR 2009: PLoS ONE ya tiene índice de impacto (en Biología),” 18 junio 2010).

“For PLoS ONE the publication fee is US$1350. Authors who are affiliated with one of our Institutional Members are eligible for a discount on this fee.” PLoS ONE Guidelines for Authors.

Hacer números es fácil. Los 1350 $ pagados por cada uno de los 6714 artículos de 2010 totalizan más de 9 millones de dólares (M$). Como muchos artículos tienen un descuento y hay un cierto número de autores que se declaran “pobres” y que no pagan, podemos reducir los beneficios a 7 M$,  no creo que mucho menos. ¿Cuánto cuesta mantener una página web de una revista y su comité editorial? No sé, debe ser muy caro, pongamos 2 M$. En dicho caso el beneficio de PLoS ONE es mayor de 5 M$. ¿Debería PLoS ser una editorial sin ánimo de lucro? ¿Debería reducir PLoS ONE el precio por publicar un artículo de 1350 $ a la mitad o a un tercio de dicho precio?

Quizás soy el único interesado en esta chorrada, poco importante para el lector habitual de este blog. Lo siento. Pero si te interesa, te cuenta la historia de PLoS ONE con un cierto toque crítico Richard Poynder, “PLoS ONE, Open Access, and the Future of Scholarly Publishing,” Open and Shut?, March 07, 2011.

“La noticia del año [2010], sin duda, es la inclusión de PLoS ONE en el JCR, revista que ha pasado de no estar recogida por Thomson Reuters en el Science Citation Index a ser recogida por el JCR antes de acabar dicho año, mientras el resto de revistas deben esperar a llevar tres años indizadas para ser recogidas en el exclusivo Journal Citation Report. Bien, este año, por fin aparece el tan esperado Factor de Impacto de PLoS ONE. Yo pensaba que se recogería en la categoría MULTIDISCIPLINARY SCIENCES, junto a Nature, Science y PNAS, con un factor de impacto inferior a éstas, pero inmediantamente después de PNAS, pero no, no aparece en esta categoría. Resulta que la han puesto en la categoría BIOLOGY, en cuya categoría aparece con un factor de impacto de 4.351 en su primer cuartil, aunque no alcanza el primer decil en esta categoría (sí lo haría en MULTIDISCIPLINARY SCIENCES).” Álvaro Roldán López, “JCR 2009,” Bibliometría, 18 Junio 2010.

PLoS ONE es una revista rodeada de cierto “halo de magia” y sobre la que ocurren cosas muy curiosas, como por ejemplo lo siguiente.

“He seguido extrañado con la repentina inclusión de PLoS ONE en el JCR. (…) Parece claro que detrás de la inclusión de PLoS ONE en los productos de Thomson Reuters no ha estado la mano de PLoS a quien parece importar poco el factor de impacto. Pero… ¿y entonces de dónde surge la iniciativa? Pues tirando de otro hilo, llego a un Announcement que sobre PLoS ONE hizo en su día Thomson Reuters y que a mí me pasó desapercibido. En él se anuncia la inminente entrada de la revista en varios productos de la compañía y la entrada en el Journal Citation Report para el mes de junio. Y la decisión se la atribuyen a los Thomson Reuters coverage and subject specialists, es decir, a la propia compañía. Aunque sigue sin aclarar la precipitación y retrospección de la inclusión frente a la calma y el calmo proceder con el resto de revistas.” Álvaro Roldán López, “PLoS ONE y su inclusión en WoS y JCR: un enigma semi-resuelto,” Bibliometría, 5 Julio 2010.

Y ya que he copiado un par de extractos de Álvaro, creo que debo recomendar, a los interesados en temas de blibliometría, una visita regular a su blog Bibliometría, que publica poco, sin agobiar, pero siempre cosas interesantes. Por ejemplo, Thomson Reuters calcula mal los cuartiles a los que pertenece una revista que aparecen en el JCR, como nos comenta Álvaro Roldán López en ”Lost in cuartiles,” Bibliometría, 28 Noviembre 2010, y en “Los damnificados por el cálculo del primer cuartil del JCR,” Bibliometría, 20 Feb. 2011.

“En aquellas categorías en las que el número de revistas dividido entre 4 daba como resultado un número entero (N/4=n), JCR calculaba el primer cuartil como n-1, en lugar de n, como debería. Es decir, que la última revista del primer cuartil pasa a ser para JCR la primera revista del segundo cuartil, acción que deja en muy mal lugar a un nutrido número de revistas. ¿Cuantas? Pues sí, me he entretenido en localizarlas y son un total de 51 revistas que a continuación os listo.”

Humor: Sólo para los que sepan inglés (April’s Fool Day)

Doug Zongker’s “Chicken chicken chicken,” presented at the AAAS humor session, February 16, 2007.

Visto en (y hay más) Elisabeth Pain, “Slipping Humor Into Scientific Presentations,” Science, April 01, 2011, y en Adam Ruben, “Experimental Error: Achieving Immortality,” Science, April 01, 2011.