En el sesquicentenario del Archaeopteryx se reabre la polémica con el Xiaotingia

Hace 150 años se descubrió el Archaeopteryx, todo un símbolo histórico de la evolución por ser el pájaro fósil más antiguo, un eslabón entre los dinosaurios y los pájaros. Se publica hoy en Nature el descubrimiento de un nuevo pájaro fósil, Xiaotingia, un poco más moderno que Archaeopteryx. El nuevo fósil, Xiaotingia, podría ser el nuevo eslabón entre dinosaurios y pájaros, quitándole el puesto al famoso Archaeopteryx, que en lugar de un ”pájaro fósil” sería más parecido a los deinonicosaurios de lo que se pensaba hasta ahora. Un sesquicentenario convulso para estos “pájaros fósiles” que ahora podrían ser más parecidos a los dinosaurios que a los pájaros. Nos lo cuenta Lawrence M. Witmer, “Palaeontology: An icon knocked from its perch,” Nature 475: 458–459, 28 July 2011, quien nos aclara que el nuevo artículo promete ser bastante polémico y generará una fuerte controversia. Ya se sabe que a la revista Nature le encanta publicar este tipo de artículos. Yo no entraré en la polémica, que encantará a los aficionados a Parque Jurásico, quienes disfrutarán del artículo técnico de Xing Xu, Hailu You, Kai Du, and Fenglu Han, “An Archaeopteryx-like theropod from China and the origin of Avialae,” Nature 475: 465–470, 28 July 2011. La blogosfera está repleta de artículos sobre el nuevo fósil.

PS (28 julio):

En Science también se hacen eco de este polémico descubrimiento en Michael Balter, “Paleontology: Bad Birthday News for First Bird?,” News & Analysis, Science 333: 511, 29 July 2011. Por lo que parece la casa de la moneda de Alemania quiere celebrar los 150 años del descubrimiento del Archaeopteryx acuñando una moneda de plata de €10 con la imagen de este pájaro prehistórico con sus alas abiertas. ¿Perderá Archaeopteryx (se han documentado 10 ejemplares) su papel en los libtros de texto? Según Balter, quizás aún no. Hasta que no haya pruebas más firmes que el artículo en Nature, los libros de texto seguirán inalterados.

El helio antiprotónico permite obtener la medida más precisa de la masa del antiprotón

Imagina que en un átomo de helio cambiamos un electrón por un antiprotón. Parece imposible. Pero cuando se utiliza helio líquido para detener un haz de antiprotones, el 3,6% de los antiprotones quedan atrapados en los átomos de helio en un estado metaestable, con una vida media de unos 3 microsegundos, algo conocido desde 1991. Hoy, tras 20 años, se publica en Nature el primer artículo que estudia las propiedades de estos exóticos átomos de helio (el helio antiprotónico contiene dos protones en su núcleo orbitados por un antiprotón y un electrón). Masaki Hori y sus colegas han medido las transiciones entre los estados energéticos del helio antiprotónico con una precisión sin precedentes. Como resultado se ha obtenido una medida sin precedentes del cociente entre la masa del antiprotón y la del electrón, en concreto 1 836,152 67 36 (23), entre paréntesis está el error en los dos últimos dígitos, una precisión comparable a la obtenida para el cociente entre la masa del protón y la del antiprotón. Para el antiprotón supone una mejora en un factor de 10 000 respecto a resultados previos. Esta medida es más precisa obtenida hasta el momento sobre la simetría materia-antimateria. Nos lo ha contado Mike Charlton, “Precision measurement: Exciting antiprotons,” Nature 475: 459–460, 28 July 2011, que se eco del artículo técnico de Masaki Hori et al., “Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio,” Nature 475: 484–488, 28 July 2011.

La fuente de los antiprotones utilizada es el Desacelerador Antiprotónico (Antiproton Decelerator) localizado en el CERN, el laboratorio europeo de física de partículas cerca de Ginebra que aloja al LHC. Esta instalación produce haces de antiprotones periódicos cada pocos minutos que son desacelerados en helio líquido. Tras la llegada de los antiprotones, una serie de pulsos láser inciden sobre estos átomos y llevan a los antiprotones del estado metaestable a un estado inestable, aniquilándose con los protones del núcleo de helio, lo que genera un chorro de piones que puede ser analizado con precisión. Los niveles atómicos del helio antiprotónico han sido medidos mediante técnicas de espectroscopia atómica, gracias a la medida de las frecuencias de sus líneas espectrales. La fuente de error más importante es el ensanchamiento de dichas líneas por Doppler debido a que los átomos están en movimiento. Una manera de reducir este efecto es utilizar dos fotones emitidos por láseres en direcciones opuestas en lugar de uno solo para realizar la medida espectroscópica. Si un átomo absorbe de forma simultánea ambos fotones, se logra minimizar el ensanchamiento Doppler. El problema es que usar está técnica con antiprotones en lugar de electrones requiere fotones generados por láseres con una potencia enorme. Para evitarlo, Mori y sus colegas han usado pares de fotones con una frecuencia diferente, uno de los cuales está sintonizado a la frecuencia de la línea espectral que se quiere medir. Gracias a esta ingeniosa técnica, Mori y sus colegas han reducido la anchura de las líneas espectrales del helio antiprotónico en un orden de magnitud. La figura de abajo muestra la diferencia entre usar un solo fotón (izquierda) y usar dos fotones (derecha).

Como decíamos en “El más allá del modelo estándar de las partículas elementales sin la supersimetría,” las medidas de precisión de los parámetros del modelo estándar pueden ofrecer gran número de sorpresas sobre la física de muy alta energía. Este nuevo resultado confirma la simetría materia-antimateria para el antiprotón hasta una precisión mucho mayor de la que nunca podrá ofrecer el LHC del CERN. El futuro del modelo estándar también está en las medidas de precisión de sus parámetros y consecuencias utilizando experimentos de baja energía. Cualquier desviación respecto a la teoría tendrá consecuencias dramáticas. Por ahora el modelo estándar sigue tan sólido como siempre. Pero quien sabe lo que deparará el futuro.

PS: Noticia en CERN News con subtítulos en inglés y francés.

El legado del doctor Moreau

El escritor de ciencia ficción Herbert George Wells en su novela de 1896 “La isla del doctor Moreau” acuñó el término de “animales humanizados,” híbridos entre humanos y animales obtenidos por “vivisección.” La novela sigue siendo de ciencia ficción, pero los dilemas éticos presentados por Wells están a la orden del día, aunque ahora son mucho más complejos. Por ello se requiere una regulación estricta para la investigación que usa embriones híbridos y animales quiméricos para obtener futuras terapias. Los científicos de todo el mundo han comenzado a discutir las consecuencias éticas de llevar al extremo las tecnologías de vanguardia que permiten la mezcla de especies; tanto la introducción de células madre humanas en animales, que podrían integrarse en el cuerpo del animal, como la formación de embriones híbridos o quiméricos que mezclan el ADN de humanos y animales. La Academia de Ciencias Médicas del Reino Unido en Londres, acaba de elaborar un informe completo sobre el tema que conducirá a una legislación pionera y específica dirigida a regular la investigación en animales que contienen material humano. Nos lo cuenta el editor de Nature, “The legacy of Doctor Moreau,” Nature 475: 423, 28 July 2011, que se hace eco de sendos artículos de Alison Abbott, “Regulations proposed for animal–human chimaeras,” News, Nature 475: 438, 28 July 2011, y de Martin Bobrow, “Regulate research at the animal–human interface,” Nature 475: 448, 28 July 2011.

Me ha reesultado curioso que el editor de Nature destaque que la idea del gobierno británico es reforzar la reputación de Gran Bretaña como un entorno de investigación atractivo, controlado de forma estricta, pero sin obstáculos injustificados. El país cuenta con algunas de las leyes más estrictas del mundo para garantizar el bienestar de los animales usados en los laboratorios de investigación, además de con una de las legislaciones más racionales para la investigación con células madre embrionarias humanas. Por ejemplo, permite la creación de embriones híbridos de humanos, algo prohibido en muchos países, siempre y cuando se destruyen antes de que se desarrollen más allá de la etapa de dos células.

Y yo me pregunto, ¿debería España emular a Gran Bretaña para hacer nuestro país un lugar más atractivo para estas investigaciones? Puedes usar los comentarios si te apetece opinar (también se puede opinar de la escatológica foto que abre esta entrada, porque estuve a punto de poner esta otra).

Por cierto, ¿sabías que todos los seres humanos somos en realidad quimeras? La mayoría poseemos en nuestras células el ADN de dos personas y algunos el de tres o más. El número de células “ajenas” suele ser muy pequeño y su origen está en nuestras madres y en ellas también está el de sus hijos. Algunas enfermedades tienen su origen en esta naturaleza quimérica de nuestro organismo. Nos lo contó en Málaga, Miguel Ángel Medina Torres (Catedrático de Bioquímica de la Universidad de Málaga), amigo y gran divulgador, en su estupenda charla ”Quimeras: El mito de la ciencia,” 15 de abril de 2008.

La figura más esperada del Tevatrón sobre el Higgs no ofrece ninguna sorpresa

Una figura que veremos repetida muchas veces en los próximos meses, la combinación oficial del Tevatrón para el verano de 2011 de los intervalos de exclusión de masa para el bosón de Higgs del modelo estándar a partir de los datos obtenidos por sus dos experimentos CDF y DZero utilizando (depende del canal de desintegración) hasta 8,6 /fb de datos de colisiones protón-antiprotón a 1,96 TeV c.m. La figura no ofrece ninguna sorpresa, salvo un ligero exceso menor de 2 σ alrededor de 140 GeV; muchos esperaban un exceso mayor, ya que tanto CMS como ATLAS del LHC en el CERN han observado un exceso de casi 3 σ para 144 GeV. El intervalo de exclusión para el Higgs obtenido por el Tevatrón, entre 156 y 177 GeV, es menor que los intervalos de exclusión en dicha región obtenidos por ATLAS (155-190 GeV) y CMS (149-206 GeV); más aún la combinación ATLAS+CMS promete, a ojo de buen cubero, una exclusión en el intervalo 155-206 GeV. En la parte baja, el límite de exclusión obtenido por LEP hace casi 10 años sigue tan actual como siempre; las masas muy bajas se le resisten mucho a los grandes colisionadores en la escala de los TeV. El artículo oficial es The TEVNPH Working Group (for the CDF and DZero Collaborations), “Combined CDF and DZero Upper Limits on Standard Model Higgs Boson Production with up to 8.6 /fb of Data,” FERMILAB-CONF-11-354-E, July 27, 2011. En este artículo aparecen las tablas con todos los datos de la figura, así como una discusión detallada de los métodos estadísticos utilizados y sobre cómo interpretar dicha figura. Todas las figuras se pueden descargar de la página web “Combined CDF and DØ Upper Limits on Standard-Model Higgs-Boson Production.” Quizás la más interesante es la que muestra la exclusión a baja masa para el Higgs que casi roza el límite del modelo estándar (SM=1), con valores de 1,12 (se esperaba 1,03) para una masa de 110 GeV, y 1,17 (se esperaba 1,16) para 115 GeV. El lugar más oculto posible del Higgs para el LHC podría ser bien explorado por el Tevatrón con sus últimos datos de colisiones para la primavera del año 2012 (o como muy tarde el verano de dicho año).

 

Quisiera recordar que la búsqueda en el Tevatrón para masas bajas (entre 110 y 120 GeV) está dominada por el canal de desintegración del Higgs en dos quarks bottom (H→bb), ver figura abajo, ya que el canal “estrella” de la búsqueda, la desintegración del Higgs en dos fotones (H→γγ), todavía se resiste ofreciendo un valor de 10,5 para un Higgs con masa de 116 GeV. Los interesados en información combinada CDF+DZero de este canal disfrutarán con “Combined CDF and DØ Searches for the Standard Model Higgs Boson Decaying to Two Photons with up to 8.2 /fb,” ArXiv, July 17, 2011 (son 7,0 /fb en CDF y 8,2 /fb en DØ) [figuras].

Los aficionados a creer en que existe una cuarta generación de partículas o en la supersimetría todavían tendrán que esperar un poco pues los resultados de estas búsquedas para el verano 2011 aún no han sido publicados (sigue estos enlaces para los del año pasado para 4th gen y MSSM).

A modo de anécdota, os indico que la predicción de Philip Gibbs para esta figura no ha estado muy desencaminada, basta comparar a vista las dos figuras quye él mismo muestra en ”Comparing Combos,” viXra log, July 27, 2011. Enhorabuena, Philip. ¿Buen hacer o coincidencia? La estadística es así de predecible.

Como nos indicó W. Murray en su charla sobre los resultados obtenidos en CMS, no hay ningún canal de desintegración para el Higgs que esté libre de sucesos de fondo que pueden producir excesos y defectos llamativos en los análisis, que no son sino meras fluctuaciones estadísticas. Os dejo la transparencia de su charla con el comentario que ya fue pronunciado en noviembre del año 2000 en el 56th LEPC meeting.

El más allá del modelo estándar de las partículas elementales sin la supersimetría

Mucha gente opina que si la supersimetría no se observa en el LHC del CERN, el modelo estándar se convertirá en una teoría aburrida y con pocas sorpresas. Todo lo contrario, hay muchos problemas en el modelo estándar para los que la supersimetría no aporta ninguna solución. La física de precisión de baja energía, que ya dio la sorpresa al descubrir que los neutrinos tienen masa en reposo, es un portal que permitirá acceder a física más allá del modelo estándar fuera del alcance de los grandes aceleradores de partículas. Parafraseando a Feynman ”There’s Plenty of Room at the Bottom.”

La física de precisión de baja energía promete muchas sorpresas en los próximos años. El problema del “sabor,” por qué hay tres generaciones de partículas elementales y por qué son tan diferentes las masas del quark top y del quark arriba, no tiene solución en el contexto de la supersimetría. Tampoco lo tienen las violaciones de la simetría CP y la explicación de por qué se aniquilaron la materia y la antimateria con un ligero exceso de materia. Los grandes experimentos del LHC, tanto ATLAS como CMS, así como LHCb y los más pequeños, prometen noticias jugosas incluso si las partículas supersimetrías o las dimensiones extra del espaciotiempo están fuera de nuestro alcance en las próximas décadas. Nos lo ha recordado de forma estupenda Matthias Neubert (Johannes Gutenberg University Mainz), “Flavor Theory: Flavor as a portal beyond the Standard Model,” International Europhysics Conference on High-Energy Physics, EPS HEP 11, Grenoble, France, 21-27 July 2011.

Matthias empieza recordando que durante dos décadas las supersimetría ha sido la estrella de la física más allá del modelo estándar. La física del “sabor” ha sido ignorada y se ha llegado a decir que era irrelevante para el descubrimiento de nueva física a alta energía. Quizás, porque la supersimetría tiene poco que decir respecto a la física del “sabor.” La situación ha cambiado en los últimos años.

La vía fácil para encontrar nueva física más allá del modelo estándar es encontrar nuevas partículas elementales (fermiones) o nuevas interacciones fundamentales (bosones vectoriales). Sin embargo, no podemos olvidar que esta nueva física también afecta a los parámetros de precisión del modelo estándar. Pequeñas desviaciones debido a las correcciones cuánticas introducidas por nuevas partículas virtuales que son señales indirectas de la existencia de estas nuevas partículas. Estas pequeñas desviaciones se pueden estudiar incluso si la masa en reposo de las nuevas partículas las coloca fuera del alcance de las colisiones en el LHC del CERN.

El gran problema de los estudios de alta precisión de los parámetros del modelo estándar es que se requiren, en pie de igualdad, avances en el frente teórico y en el experimental. Se han de desarrollar (y se están desarrollando) nuevas técnicas para calcular con precisión las predicciones del modelo estándar. Ya que en muchos casos las medidas experimentales son más precisas que las estimaciones teóricas, ocultando cualquier posible pequeña desviación. Por ejemplo, la desviación a casi 4 sigma observada por DZero (Tevatrón) con 8 /fb de colisiones respecto a una posible violación CP en la mezcla de los bosones-B (que muestra la figura de arriba, derecha), se considera una señal de nueva física, pero podría ser debida al efecto de las correcciones de alto orden no tenidas en cuenta en las predicciones teóricas actuales. Muchos parámetros del modelo estándar tienen intervalos de incertidumbre y los análisis de sensibilidad sobre su efecto en los cálculos son de gran dificultad porque afectan vía correcciones cuánticas aún no determinadas. Otro ejemplo es la desintegración anómala de mesones-B en pares de muones, observada por CDF (Tevatrón). Por ahora, ni LHCb, ni CMS, ni ATLAS han observado estos efectos, pero aún han acumulado pocas colisiones como para que se pueda afirmar que refutan las observaciones del Tevatrón. Más información en la charla de Guy Wilkinson (University of Oxford), “News from the flavour frontier -heavy quark physics at the LHC,” EPS HEP 2011, Grenoble, 27/7/11.

Por ahora el LHC del CERN está ratificando el modelo estándar sin observar ninguna desviación apreciable (con su sensibilidad actual). Sin embargo, si el Tevatrón necesitó 25 años para observar algunas pequeñas desviaciones, es muy posible que, si existen, el LHC pueda observarlas en mucho menos tiempo. Según Matthias es muy posible que muchos pequeños efectos nos aguarden escondidos entre las futuras colisiones del LHC. En la física de partículas elementales, y sobre todo en la física de precisión de baja energía, el tiempo y la paciencia son los mejores aliados.

PS: En relación a las anomalías observadas en el Tevatrón, merece la pena la emotiva charla de Diego Tonelli (Fermilab), “Heavy flavor at the Tevatron,” EPS HEP 2011, Grenoble, July 27, 2011.

PS: Por cierto, ya que estamos, también recomiendo la lectura de Flip Tanedo, “The Birds and the Bs,” Quantum Diaries, July 22nd, 2011. Flip describe muy bien lo que se sabe sobre la desintegración de los mesones-B en pares de muones.