La mecánica cuántica como fenómeno holográfico emergente a partir de la entropía en la teoría de Verlinde

La teoría de Erik Verlinde que afirma que la gravedad emerge de la entropía gracias al principio holográfico está de moda y está llevando a muchas propuestas exóticas, próximas a la especulación científica. El nuevo artículo de José María Isidro (Universidad Politécnica de Valencia) y sus colegas afirma que la mecánica cuántica también podría emerger de la entropía gracias al principio holográfico. En esta nueva propuesta la constante de Planck se deriva a partir de la constante de Boltzmann (que se utiliza como unidad para la entropía) y se obtiene un principio de indeterminación para la entropía (en el que la posición y el momento corresponden a la entropía reducida y al momento entrópico). La analogía formal entre funciones de onda cuánticas y funciones de onda entrópicas se realiza gracias a una pantalla holográfica a través de la cual fluye entropía; en una cara de la pantalla holográfica emerge el espaciotiempo y la mecánica cuántica convencional, y en la otra cara de la pantalla holográfica no existen ni la noción de espaciotiempo ni la noción de mecánica cuántica, sólo una estructura termodinámica macroscópica asociada a una estructura microscópica definida por “cuantos” de entropía, un espacio de Hilbert para los estados de entropía y una formulación matemática “formal” que asemeja a la de la mecánica cuántica pero que se refiere a la entropía. La dualidad en termodinámica clásica entre la representación del sistema basada en la entropía y la representación basada en el energía es llevada al extremo por este nuevo trabajo. Para mí lo más curioso del trabajo es que la entropía depende del observador gracias al principio holográfico en forma análoga a como lo hace la mecánica cuántica. He de confesar que el artículo es demasiado especulativo para que yo lo entienda… No es la primera vez, siempre acabo con la sensación de que me cuesta mucho trabajo entender las ideas de José María. Aún así, como todos los autores son amigos, creo que merece la pena hacerme eco de este artículo de Dago Acosta, Pedro Fernandez de Cordoba, José María Isidro y Juan Luis G. Santander, “An entropic picture of emergent quantum mechanics,” ArXiv, Submitted on 10 Jul 2011.

Siempre es difícil explicar lo que uno no entiende. Según la teoría de Verlinde la gravedad es una interacción fundamental, sino una descripción efectiva de grados de libertad internos. La gravedad es pura entropía. La gravedad es pura termodinámica. Digo termodinámica y no física estadística porque en la mayoría de los trabajos sobre las ideas de Verlinde el espaciotiempo se considera clásico, no se presenta ningún modelo microscópico que de cuenta de su estructura cuántica. La gravedad emerge de la entropía gracias a una termodinámica macroscópica. Se asume entre líneas que una conexión entre las ideas de Verlinde y la teoría de cuerdas (o la gravedad cuántica de bucles) algún día permitirá descubrir un modelo microscópico de la gravedad en el que el espaciotiempo emerga como concepto efectivo.

Por otro lado, en muchos trabajos se interpreta la mecánica cuántica como una teoría emergente, como si fuera la descripción termodinámica de una teoría determinista subyacente. La cuantización se interpreta como un mecanismo de disipación de información cuya formulación termodinámica requiere usar el concepto de entropía. El nuevo trabajo de Isidro y sus colegas ofrece una visión holográfica y entrópica de la emergencia de la mecánica cuántica, aprovechando las ideas de Verlinde.

Una partícula de masa M que se aproxima a una pantalla holográfica S, a una distancia de 1 longitud de Compton provoca que la entropía de la pantalla S se incremente en una cantidad ΔS = 2π Δk, donde k es la constante de Boltzmann; esta cantidad es el “cuanto” de entropía para la pantalla. La entropía en la pantalla está cuantizada en unidades de Δk. Si la partícula viene descrita por una función de onda cuántica, ésta determina la cantidad de entropía transferida (la ecuación (19) en el artículo es postulada no deducida).  En la otra cara de la pantalla holográfica esta cantidad de entropía se transforma en una función de onda entrópica en la coordenada transversal a la pantalla. Se pueden definir operadores de posición y momento análogos a los de la mecánica cuántica pero aplicables a esta nueva función de onda entrópica, que cumplen con un principio de indeterminación análogo al de Heisenberg. La fórmula que relaciona la entropía y el área de la pantalla holográfica es, como cabe esperar, la fórmula de Bekenstein-Hawking. Lo más importante de la analogía es que ambas funciones de onda (a ambas caras de la pantalla holográfica) están relacionadas entre sí y el conocimiento de una de ellas permite inferir la otra. En este sentido la mecánica cuántica es pura entropía.

Mucho más no puedo contar, si alguien ha leído hasta aquí quizás es el momento de que se lea el artículo original.

Más limpio que una patena: el evento más limpio observado en el experimento CMS del LHC en el CERN

Parece imposible observar un evento tan limpio en las colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en el LHC del CERN. La colisión de 2 protones ha producido dos fotones que se han desintegrado en un par de muones y nada más. Una colisión protón-protón en la que sólo se observan dos muones. Alucinante. Un evento más limpio que una patena. Basta comparar dicho evento de libro con el siguiente (un evento típico de los más normalito). Aclaración: Para los acostumbrados a tildar las noticias de sensalionistas, aclaro que esta lo es en el siguiente sentido. Este es el evento más limpio que yo he visto en una charla que discuta resultados de las colisiones del LHC en el CERN. Seguro que los físicos que trabajan allí habrán visto otros eventos similares. Para mí este es “el evento más limpio [que yo he visto que se haya] observado en el experimento CMS del LHC en el CERN.” Por cierto, he visto esta figura en la charla de A. Vilela Pereira (CMS Collaboration), “Forward physics results from CMS,” LISHEP 2011 (XI International School on High Energy Physics), Rio de Janeiro, Brasil, 4-10 July 2011. Sobre este tipo de eventos pero en CDF del Fermilab te recomiendo la charla de Mike Albrow (Fermilab), “Observation of Exclusive γγ Production in CDF (and other exclusive states),” idem.

Para entender mejor el evento que abre esta entrada quizás haya que presentar algunos diagramas de Feynman. Este evento corresponde al diagrama más a la izquierda de los mostrados abajo. Básicamente se trata de un evento QED puro (basta la electrodinámica cuántica para explicarlo sin necesidad de recurrir a la cromodinámica cuántica). Este tipo de evento no es raro, pero no suele aparecer tan limpio (suele venir acompañado de un apilado (pile-up) de varios eventos). El experimento CMS (recuerda que CMS son las siglas de Compact Muon Solenoid) tiene detectores especiales para detectar muones y en dicha colaboración se realizan análisis muy precisos de la producción de muones. Muchos de estos eventos, sobre todo los más energéticos (que son las más interesantes cuando se busca física más allá del modelo estándar), van acompañados de un chorro hadrónico (diagrama de Feynman central) o de dos chorros (diagrama de Feynman de la derecha). Dichos eventos con chorros son mucho menos limpios, como es de esperar.

En los 40 /pb (inversos de picobarn) de colisiones a 7 TeV c.m.  analizadas en CMS durante 2010 se ha aplicado un corte en la masa (relativista) de los dos muones (la energía cinética que tienen en su centro de masas común) de 11,5 GeV (los eventos que presentan dos muones con menor energía han sido descartados del análisis). El evento más energético observado tiene una masa total de 77 GeV/c². Las dos figuras que se muestran abajo muestran el resultado del análisis (la cuenta estadística) del número de eventos de este tipo (círculos rellenos con barra de error) comparado con las predicciones teóricas de las simulaciones de Montecarlo del modelo estándar. En amarillo aparecen los eventos sin chorros hadrónicos, más numerosos cuando el momento transversal de los muones es más pequeño y en dos tonos de verde los eventos que involucran uno y dos chorros hadrónicos. También aparecen en rojo eventos más raros en los que un protón produce un bosón Z y el otro protón un fotón, que más tarde colisionan produciendo un par de muones (pp→Z/γ+pp→μμ+pp). El resultado experimental es que la sección eficaz de producción total de un par de muones es de 3,38 pb (como muestra la figura con márgenes de error), es decir, que en 40 /pb de datos se han observado 3,38 * 40 = 135 eventos de este tipo. ¿Cuántos se observarán en las colisiones de 2011? A día de hoy, CMS ha acumulado 1181,3 /pb de datos en 2011, es decir, se espera observar en dichos datos unos 3993 eventos de este tipo (unas 30 veces más eventos que los mostrados en la figura de abajo). ¿Cuántos de esos eventos serán tan limpios como el evento que abre esta entrada? No lo sé, pero seguramente serán muy pocos (aunque ya sabe, también se pueden limpiar los datos experimentales para que queden más bonitos para los libros de texto, para eso está Photoshop).

Ahora mismo el LHC sigue con una parada técnica. Se espera que este jueves se reanuden las colisiones. Durante la parada técnica de la semana pasada se observaron ciertos pequeños problemas que han requerido visitar el túnel y realizar pequeños arreglos. Nada grave. Tras un par de inyecciones para calentar motores, se volverá a trabajar con 1380 paquetes de protones separados por 50 ns, aunque sólo se harán colisionar 1331 paquetes en los puntos de colisión donde se encuentran CMS y ATLAS. A partir de ahí se tratará de lograr el fin de semana que los 1380 paquetes colisionen en ambos detectores. El futuro del LHC en lo que queda de año se discutirá en el Mini Chamonix del 15 de julio.

La física cuántica de Harry Potter

Krister Shalm es postdoc en el Instituto de Computación Cuántica de la Universidad de Waterloo, Canadá. El año pasado impartió una charla titulada “The Quantum Physics of Harry Potter,” acompañado del mago Dan Trommater, repetirá la charla el 14 y el 15 de julio de 2011. El vídeo de la charla del año pasado tiene cortes y el sonido es un poco malo, pero merece la pena dedicar una hora a verla. La primera media hora de la charla se dedica a las ondas e ilustra el concepto de polarización de la luz con unas gafas de 3D. A partir del minuto 31 empieza la parte cuántica con ”Schrödinger’s cat and Harry Potter,” que alude a una frase del libro “Uno deberá morir a manos del otro, porque ninguno podrá vivir mientras siga el otro con vida” (que ilustra este vídeo youtube en el segundo 59). El mago Dan Trommater ilustra el entrelazamiento con un juego de cartas realmente curioso. En el minuto 44 se inicia “Entanglement and the Protean charm” y el minuto 49 la parte sobre ”Teleportation.” El mago Dan Trommater realiza una exhibición espectacular del teletrasnporte con un billete y una naranja. La pena es que el final de la charla se corta (faltarán unos 3 minutos) y nos quedamos con las ganas de ver el final ”The quantum future” (que cree que debe tratar sobre el modelo de multiverso de Everett). Lo dicho, aunque el vídeo tiene algunos cortes y el sonido podría mucho mejor, la charla merece la pena, en mi opinión. Así que si estás por Waterloo el 14 o el 15 de este mes, no puedes olvidar sacar una entrada y ver el espectáculo en directo. Creo que lo grabarán en vídeo y lo colgarán en la web, pero no estoy seguro. Así que habrá que estar al loro del blog “The Quantum Pie.”

Por cierto, abajo tenéis un videoclip casero del rap de Mitch Benn titulado “Double-slit rap.” Describe un experimento de Krister Shalm y su grupo del que ya nos hicimos eco en este blog “Medida cuántica del estado con incertidumbre mínima (squeezing quantum measurement),” 26 enero 2009. Si te gusta el rap lo disfrutarás…

Explicación de la primera figura de exclusión de masa para el bosón de Higgs con datos de 2011 del LHC en el CERN

Esta figura preliminar presenta la búsqueda del Higgs del modelo estándar en el canal H→ZZ, el más prometedor para un Higgs de gran masa, obtenida en la colaboración CMS del LHC en el CERN tras analizar entre 0,2 y 0,9 /fb de colisiones (según la masa). La figura excluye un Higgs con una masa entre 300 y 400 GeV/c², mostrando que el LHC del CERN permite explorar un rango de masas para el Higgs muy por encima del permitido por el Tevatrón del Fermilab. Más abajo explico esta figura en detalle, ya que dentro de un par de semanas se publicarán los primeros resultados oficiales sobre la búsqueda del bosón de Higgs con datos de colisiones de 2011 en el LHC del CERN que combinarán varios canales de búsqueda, así como los resultados combinados de los dos grandes experimentos del LHC, llamados ATLAS y CMS. Hasta entonces aparecerán en blogs y seminarios varios resultados  preliminares, como éste que ha aparecido en un seminario el 8 de julio y del que se ha hecho eco Philip Gibbs en “Higgs Exclusions at 900/pb,” viXra log, 9 July 2011. La figura muestra la gran ventaja del LHC sobre el Tevatrón para grandes valores de la masa, debido a sus colisiones protón-protón a 7 TeV c.m. en lugar de las colisiones protón-antiprotón a casi 2 TeV c.m. El otro gran experimento del LHC, ATLAS, publicará pronto una figura similar para el mismo canal. Se observan varios excesos por encima de 2 sigma alrededor de 114, 125 y 205 GeV/c² (más o menos, pues la escala horizontal logarítmica parece “estirada”), pero seguro que su origen son fluctuaciones estadísticas debido a que el número de colisiones analizado depende de la masa (de ahí que el intervalo de colisiones analizado sea tan amplio como de 0,2 a 0,9 /fb). Si no lo son, los resultados de ATLAS deberían presentar las mismas características. Aún así, algunos impacientes ya han especulado que se observan “señales” de múltiples bosones de Higgs, como los predichos por la supersimetría (ver Lubos Motl, “CMS after 0.9/fb: Higgs preferred at 115, 140, 205 GeV,” TRF, 9 July 2011).

Una explicación de la figura es de rigor para los que no estén familiarizados con este tipo de diagramas, que serán muy numerosos este verano (CDF, DZero, CDF+DZero, ATLAS, CMS, ATLAS+CMS, etc.). La figura considera uno de los canales de desintegración más prometedores en la búsqueda del bosón de Higgs del modelo estándar, la desintegración de un Higgs en un par de bosones débiles Z, es decir, H→ZZ; por encima de una masa de 200 GeV/c² es el canal de búsqueda preferido, pues aunque es algo menos probable que el canal H→WW, es mucho más fácil de distinguir respecto a los sucesos de fondo; de hecho, por encima de 130 GeV/c² también es un canal muy prometedor. Sólo para una masa muy baja, entre 114 y 125 GeV/c², el canal de búsqueda preferido es otro, la desintegración en dos fotones, H→γγ, muy poco probable pero muy fácil de indentificar. Hay muchos otros canales de desintegarción del Higgs y las figuras “buenas” son las que combinan muchos canales (a ser posible todos los observables) y muchos datos de colisiones (el mayor número de inversos de femtobarn (fb⁻¹, /fb o ifb) posibles).

Para cada posible valor de la masa del bosón de Higgs, el modelo estándar predice de forma unívoca su tasa de producción, el número exacto de bosones de Higgs que se producen en las colisiones protón-protón del LHC y cuántos de ellos se desintegran de cada manera posible (cada canal de desintegración). Esta figura indica el número de eventos tipo Higgs en el canal H→ZZ observados en el experimento CMS del LHC respecto al número de eventos de este tipo que se esperaría observar según la predicción teórica del modelo estándar. La figura muestra la sección eficaz de producción en dicho canal, más o menos, el número de eventos de este tipo que se observan en un detector de cierta área efectiva dividido entre el número total de eventos posibles. En esta figura un número 0,1 significa que cuando se espera observar 10 bosones de Higgs no se ha observado ninguno. Un valor de 10 significa que es necesario analizar 10 veces más colisiones de los disponibles para observar un bosón de Higgs, es decir, que se espera observar 0,1 bosones. Por tanto, los valores experimentales por debajo de la línea roja (colocada en un valor de 1) indican valores de la masa para los que habría que haber observado el Higgs y no ha sido observado, es decir, excluyen un Higgs con dicha masa. Los valores por encima de 1 indican que habrá que esperar al análisis de más colisiones. Por supuesto, estos resultados son estadísticos y puede haber fluctuaciones en estos resultados conforme se recaben más datos experimentales.

Más en detalle. Para un número dado de colisiones el modelo estándar predice la sección eficaz de producción de un canal de desintegración para el Higgs (la línea discontinua en la figura), que se puede comparar con el valor de la sección eficaz predicho por el modelo estándar, que en esta figura está normalizado a la unidad (línea horizontal roja). El análisis del número de los eventos candidatos a una desintegración concreta (en este caso la desintegración en dos bosones Z) corresponde a la línea continua negra con cuadraditos. Si esta línea está por debajo de la línea roja para cierta masa significa que habría que haber observado el bosón de Higgs con dicha masa y no se ha observado, por lo que se excluye (con una probabilidad del 95% C.L.) que el bosón de Higgs tenga dicha masa. Cuanto más baja esté la línea negra continua respecto a la línea roja más probable es que el Higgs no tenga dicha masa.

¿Por qué Lubos Motl especula que hay señales de bosones de Higgs supersimétricos en esta figura? La comparación entre la línea discontinua (predicción teórica para el bosón de Higgs del modelo estándar) y la línea continua con cuadraditos (resultado experimental observado) puede ser indicativo de posibles desviaciones respecto al modelo estándar, como las predichas por otras teorías como el modelo mímimo supersimétrico. La línea discontinua (predicción teórica) viene acompañada de una banda con colores de la bandera brasileña. La banda verde indica dispersiones dentro de una desviación estándar y la banda amarilla dentro de dos desviaciones estándares. Si la línea continua con cuadritas se desvía más de 3 desviaciones estándares respecto a la línea discontinua eso indica que podría haber algo más allá del modelo estándar (una señal de algo interesante). Si se desviara unas 5 desviaciones estándares sería un descubrimiento para Premio Nobel. En la figura aparecen desviaciones muy claras por encima de 2 sigma en la región entre 200 y 210 GeV/c², sin embargo, en mi opinión se trata de una fluctuación estadística y no hay que tocar las campanas aún. También aparecen otras pequeñas desviaciones de este tipo pero menos claras entre 100 y 200 GeV/c². Yo creo que parte de estas desviaciones se deben a que el número de datos analizado (entre 0,2 y 0,9 /fb) depende del intervalo de masas considerado y que por tanto los datos son aún muy provisionales.

En resumen, espero haber explicado bien la figura. Los que aún tengáis dudas podéis preguntar en los comentarios (no soy experto ni en fenomenología ni en estadística, pero me gustan ambos temas).

Por cierto, Don Lincoln, científico del Fermilab, trata de explicar lo que es el bosón de Higgs para todo el mundo en el siguiente vídeo de youtube. No está subtitulado al español aún, pero este vídeo me ha gustado.

Recogida de firmas en contra del nuevo Estatuto del Personal Docente e Investigador

Recogida de firmas CONTRA EL BORRADOR DEL ESTATUTO DEL PERSONAL DOCENTE E INVESTIGADOR.

Una de las grandes promesas de esta legislatura del PSOE era el nuevo Estatuto del Personal Docente e Investigador de las Universidades Públicas Españolas. “Más de dos años después de que se redactara el primer borrador, con un cambio de ministerio y sucesivos retoques, al Ministerio de Educación le queda ya muy poco margen para aprobarlo en lo que queda de legislatura. Pero en el ministerio están decididos a hacerlo. Sin embargo, un nutrido grupo de académicos encabezan una firme oposición al proyecto. El secretario general de Universidades, Màrius Rubiralta, insiste en que el borrador está en una etapa inicial, pero los detractores del proyecto piden su retirada. Consideran que todas esas medidas supondrán una burocracia insoportable para la Universidad y no aceptan bajo ningún concepto que la gestión sea una forma de escalar en la carrera académica. Tampoco están de acuerdo con la orientación preferente a la gestión ni a la docencia, pues les parece una excusa o un refugio para que puedan escalar quienes no quieren asumir su verdadera responsabilidad como profesores universitarios, esto es, tanto investigar como dar clase. Y no les gusta lo que consideran un excesivo peso de los representantes sindicales en cuestiones estrictamente académicas, como los criterios generales de la asignación de tareas a los profesores o de la progresión profesional. Ya han firmado el manifiesto académicos de prestigio como Miguel Ángel Alario (presidente de la Real Academia de Ciencias), Rafael Argullol, Fernando Savater, Julio Carabaña o Francisco Rico.”

El Estatuto del PDI se ha hecho esperar y su Borrador actual ha decepcionado a muchos. “El estatuto del docente universitario, que tenía que llegar para hacer más atractiva y clara la carrera de los docentes e investigadores de la educación superior pública, se ha convertido en un foco de tensión dentro de los campus. Hasta tal punto de que un amplio sector de docentes e investigadores se ha unido para pedir la retirada de un proyecto que lleva negociándose más de dos años. Lo consideran dañino para la calidad de las universidades públicas, porque las “burocratiza”, las sindicaliza y va contra los intereses de los jóvenes talentos.”

Los extractos entre comillas son del artículo de J. A. Aunión, “Académicos denuncian el estatuto que “burocratiza” la Universidad,” El País, 09/07/2011. Permíteme un resumen del manifiesto (sin que ello implique que no te lo debas leer entero antes de firmar).

DEBES FIRMAR EL MANIFIESTO PORQUE:

1. El profesorado universitario ya conoce de sobra en qué consisten las tareas de docencia e investigación, pero en ninguno de los diecisiete apartados del Artículo 10.1 del Borrador se alude al investigar como tal, a la pura, elemental y básica actividad de estudio y experimentación en laboratorios, bibliotecas o despachos. Ni una sola referencia al mero investigar, a la simple y básica producción de conocimientos.

2. El artículo 13.2 pretende que entre el profesorado existan perfiles diversos, más que nada para que quienes no investigan puedan disculparse con el argumento de que su orientación es fundamentalmente docente, y como pretexto también para que las universidades abaraten costes al exigir más docencias a los que se escuden en dicho perfil. Por contra, la exigencia de dedicación y calidad docente e investigadora no debe aminorarse en ningún caso, [no debe fomentarse a] los que prefieren cultivar la pereza o refugiarse en labores inútiles y parasitarias, como algunas de las que en este Estatuto se estimulan.

3. Denunciamos el trato de privilegio que se otorga a las actividades de gestión universitaria y la correspondiente discriminación, por comparación, de las labores de docencia e investigadoras. Propugnamos un modelo universitario en el que dichos cargos sean pocos y con funciones bien precisas, y que los profesores reciban estímulo y premio nada más que por su dedicación investigadora o docente.

4. Discrepamos del poder que se regala a los sindicatos a la hora de decidir asuntos cruciales [de] la institución universitaria. Manifestamos nuestro desacuerdo con que para la promoción horizontal como profesor titular o catedrático se deba “tener en cuenta las actividades sindicales”.

5. En cuanto a la carrera docente del profesorado, rechazamos del modo más tajante la nueva carrera horizontal a modo de subterfugio o falso consuelo. El juego de jerarquías “horizontales” que ahora se introduce trata de oscurecer los crecientes obstáculos para la progresión de profesor titular a catedrático, ofreciendo el vano consuelo de que pueda haber profesores titulares acreditados para catedráticos que no tengan cátedra, pero que estén en situación para presumir de que cuentan con los puntos necesarios hasta para el cuarto nivel de catedrático, el más alto de los tres niveles horizontales.

6. Nos oponemos, por absurdo, disfuncional y contrario a los fines esenciales de las universidades, al sistema retributivo basado en el concepto de “carrera horizontal académica”. Cada tramo de los tres que forman la carrera horizontal académica de titulares y catedráticos se otorga sobre la base de una evaluación positiva que ha de contemplar los siguientes criterios generales (art. 16.4): antigüedad en el empleo público universitario, méritos docentes, méritos de investigación, méritos por innovación y transferencia de conocimiento, méritos de dirección y gestión académica y formación.

7. Por último, expresamos nuestra más firme oposición a los “Criterios básicos para la evaluación de la carrera horizontal académica”. La mera antigüedad (el tranquilo pasar de los años calentando la silla) [permite] alcanzar un máximo de 20 puntos, mientras que el máximo por investigación es de 50 puntos. Por “dirección y gestión académica universitaria” los puntos totales pueden llegar a 30, y cabe conseguir hasta 40 puntos en razón de “méritos por innovación y transferencia de conocimientos” (entre estas actividades aparecen numerosas tareas de gestión burocrática de la investigación que se consideran investigación, a la luz del art. 10). No podemos aceptar que se pueda acceder a la condición de catedrático sin un solo mérito científico y la “cima horizontal” de los catedráticos sin un sólo punto por investigación, ni uno. En cambio, quien se haya concentrado absolutamente en la investigación y la docencia, con magníficos resultados objetivos en lo uno y lo otro, pero no haya buscado cargos y no sea bastante viejo para que la antigüedad le compute por antiguo en la casa…, se queda sin la cátedra, no llegará ni a cien puntos.

El sistema que con el Borrador de Estatuto se quiere perpetrar está perfectamente pensado para que ningún brillantísimo investigador y docente alcance la cátedra relativamente joven, pero para que todos los viejos que se han dedicado a cuanto impide la buena investigación y la concentración en la docencia se puedan hacer catedráticos de bien mayores.

Cuerpo único, pero cuerpo viejo y sumiso, ése es el lema de esta norma.

¿Por qué aún se publican nuevos artículos que analizan los datos de colisiones de 2010 en el LHC del CERN?

Nos responde esta pregunta y otras similares la Dra. Pauline Gagnon (CERN/Univ. Indiana), la una física experimental en un mar de físicos teóricos (en el KITP el 24 de junio de 2011), en su charla ”A Few Basic Facts Theorists Might Want to Know About an LHC Experiment: Using the Search for Lepton Jets from Hidden Valley Models as an Example” [vídeo y transparencias]. Os recomiendo su charla, muy clara y muy interesante, sobre todo a los que sois más teóricos que experimentales. Permitidme algunos extractos.

Todavía se siguen publicando algunos análisis de las colisiones protón-protón que se obtuvieron en el LHC del CERN entre marzo y octubre de 2010. ¿Por qué se publican ahora análisis con menos de 40 /pb de datos cuando ya hay acumulados en 2011 más de 1100 /pb de nuevas colisiones? La razón es muy sencilla: la publicación de un análisis concreto requiere un riguroso proceso de revisión dentro de cada colaboración y cuando hay más 3000 físicos en cada una (como en ATLAS y en CMS), este proceso requiere mucho tiempo; no es fácil contentar a todo el mundo, pero es obligatorio hacerlo, contestando todas las indicaciones o cuestiones de todos los miembros de la colaboración, porque ellos acabarán siendo coautores de dicho trabajo. Este proceso puede ser más rápido o más lento dependiendo del análisis concreto y por qué no decirlo, también de la suerte. Como todos los autores de artículos científicos sabemos bien, el tiempo que dure una revisión por pares es imposible de estimar, a veces es muy rápida y otras veces lenta en extremo. En las colaboraciones del LHC del CERN pasa exactamente lo mismo.

¿Por qué unos artículos que analizan todas las colisiones de 2010 buscando ciertos objetos publican resultados con 35 /pb y otros con 37 /pb, o 40 /pb? Este baile de números puede parecer extraño al lego pero está bien justificado. Los datos de colisiones grabados en disco se parten en trozos con las colisiones entre 1 y 3 minutos, llamados “bloques de luminosidad” (“luminosity blocks“). Cada subgrupo de análisis selecciona entre estos bloques los que cumplen ciertos criterios de calidad y desechan los que no los cumplen. Por tanto cada subgrupo analiza un número diferente de bloques de luminosidad y publica un análisis con una cantidad diferente de colisiones seleccionadas. Hay muchos criterios de calidad pero el más importante es la estabilidad de los detectores de cada experimento. Tanto ATLAS como CMS tienen un gran número de detectores de diferente tipo montados en capas concéntricas que se utilizan para detectar partículas de diferente tipo. Detectores para fotones, para electrones, para muones, etc. Un grupo que analiza desintegraciones en fotones desecha los bloques de luminosidad en los que los detectores de fotones no están estables, pero no tiene ningún problema cuando los detectores de electrones o de muones no lo están. Por ello la luminosidad integrada total que analiza (y luego publica) un subgrupo es diferente de la analizada por otro diferente; también se reduce el número de datos cuando se combinan análisis de diferentes grupos pues hay que hacer la intersección entre todos los criterios de calidad.

¿Por qué a más colisiones es más fácil detectar los procesos raros? Recuerda que hay que buscar ciertos tipos de procesos (la señal) en un fondo de múltiples procesos (el ruido). Si hay 50 veces más datos de colisiones, tanto la señal (S) como el ruido (B) se incrementan en un factor de 50, pero la incertidumbre estadística en el ruido se reduce en un factor √50 (la raíz cuadrada de 50). Por tanto el cociente S/√B crece en un factor aproximado a 7. La incertidumbre en el fondo se reduce como la raíz cuadrada del número de datos y gracias a ello las señales de procesos muy poco probables se detectan (o descartan) conforme el número de colisiones crece. A finales de 2011 se espera obtener al menos unos 3 /fb de datos, es decir, unas 75 veces más datos que en el año 2010, lo que permitirá mejorar los límites de incertidumbre en los procesos raros en un factor de ~8,5 (será un mayor porque la combinación de ATLAS y CMS equivale tener el doble de datos). Por ejemplo, qué puede suponer esto en la búsqueda del Higgs. La figura de abajo muestra el resultado de la primera búsqueda del bosón de Higgs por parte de ATLAS, publicado en junio de 2011. La banda gris por debajo de la línea negra continua indica que aún no se excluye ningún intervalo de masas. Para finales de año, una sensibilidad entre 6 y 10 veces mayor significa que la banda gris subirá (o los datos bajarán) hasta alcanzar la banda roja, es decir, se excluirá gran parte de todo el intervalo de masas en el eje horizontal (hay que observar la raya discontinua que corresponde al valor esperado según los modelos teóricos ya que la curva continua oscila alrededor de dicha línea sujeta a la incertidumbre estadística). La curva negra fluctuará y cambiará de forma. Este ejercicio es solo para ilustrar cómo afecta el incremento en el número de datos de colisiones.

El fondo esperado en el análisis de las colisiones se obtiene gracias a simulaciones de Montecarlo. Hay que recordar que cualquier cambio importante en las condiciones de funcionamiento del LHC requiere reajustar los parámetros de los simuladores de Montecarlo (lo que requiere entre 1 y 2 meses de trabajo). ¿Qué condiciones? Por ejemplo, la energía en el centro de masas de las colisiones (este año es de 7 TeV c.m., pero algunas voces reclaman para 2012 un incremento a 8 TeV c.m.). También es importante recordar que a mayor luminosidad son apilan más colisiones de baja energía (pile-up) porque los protones no son partículas elementales sino compuestas (mayor luminosidad se obtiene al pasar de inyectar paquetes con una separación de 75 ns a 50 ns). Los algoritmos de reconstrucción de las trayectorias de las partículas encuentran más problemas conforme el número de colisiones apiladas crece.

En resumen, os recomiendo la charla de Pauline Gagnon, ”A Few Basic Facts Theorists Might Want to Know About an LHC Experiment” [video, slides].

Lo último sobre el grafeno relatado por el Premio Nobel Andre K. Geim

Andre Konstantin Geim, Premio Nobel de Física 2010, nos cuenta de primera mano en qué está trabajando ahora mismo su grupo de investigación en la Universidad de Manchester en su charla “Graphene Update,” Institute of Physics, June 2nd 2011. Aunque la charla está pensada para un grupo general de físicos, la mayoría de los interesados en divulgación científica que entiendan bien el inglés disfrutarán de la charla. Por ciento, la mayoría de los artículos técnicos del grupo de Geim mencionados en la charla están disponibles en ArXiv para el disfrute de los especialistas.

Por cierto, además de la charla de Geim hay otras siete sobre el grafeno en esta lista de reproducción youtube del IOP (no he visto los otros vídeos aún, así que no os puedo recomendar ninguno en concreto).

Fernando Quevedo en PASCOS-11 sobre la fenomenología de la teoría de cuerdas

 

Cuando en este blog se habla de teoría de cuerdas, muchos lectores se acuerdan de Fernando Quevedo (nació en Costa Rica y estudió Física en Guatemala), director del Centro Internacional de Física Teórica Abdus Salam con sede en Trieste, Italia, y profesor de la prestigiosa Universidad de Cambridge, GB. Merece la pena recorrer su charla en PASCOS-2011 sobre “Phenomenological Aspects of Local String Models.” Hay muchos tipos de físicos que trabajan en teoría de cuerdas, los fenomenólogos lo que pretenden es obtener un “escenario” en la teoría de cuerdas que abarque toda la física partículas y todas las observaciones cosmológicas, y que además conduzca a predicciones medibles. Ya hay modelos que explican ciertas cosas, pero no hay modelos que explican todas las cosas que hay que explicar. Fernando Quevedo lo tiene claro, si un modelo lo explica casi todo, pero no lo explica todo, hay que desecharlo y buscar otro. Son palabras duras, pero llenas de esperanza. La charla de Fernando rebosa esperanza: “La teoría de cuerdas podría explicarlo todo.”

En PASCOS-2011 disfrutarás de charlas de Maldacena (PDF, MOV), Linde (PDF), Kachru (PDF), Zaldarriaga (PDF), Loeb (PDF, MOV), … y no solo sobre teoría de cuerdas y cosmología, también sobre el LHC, como Barr (PDF, MOV), Gibson (PDF), Wells (PDF), …

Los problemas de jugar al fútbol en Marte

Tres estudiantes del último año de la carrera de Física en la Universidad de Leicester, Calum James Meredith, David Boulderstone y Simon Clapton han estudiado si se podría jugar al “deporte rey” en el planeta Marte, teniendo en cuenta su reducida gravedad y la falta de atmósfera. La ausencia de la resistencia del aire hace que no se puedan dar disparos con efecto aprovechando la fuerza de Magnus (no habrá ningún David Beckham marciano). Para el mismo disparo, el balón alcanza en Marte una altura tres veces mayor y recorre una distancia cuatro veces más larga que en la Tierra (la aceleración de la gravedad en la superficie de Marte es de 3,7 m/s² en lugar de 9,8 m/s²). Los estudiantes también han tenido en cuenta otros factores: la temperatura de la superficie marciana oscila entre 186 K y 293 K, con una temperatura media 210 K; la presión atmosférica en la superficie de Marte es de solo unos 0,6 kPa; la luz diurna disponible para jugar es la mitad de la terrestre, unos 5000 lux (en partidos de la FIFA debe haber al menos 500 lux). Un artículo de dos páginas no da para mucho, pero los interesados en leer los detalles pueden descargarlo de la web: C. J. Meredith, D. Boulderstone and S. Clapton, “A2 1 Association Football on Mars,”  Journal of Physics (Special Topics) 9: A2_1, 2010. La noticia ha aparecido en Marc Abrahams, “Bend it like Beckham – but not on Mars. You could still play the beautiful game on the Red Planet, researchers say, but the ball would travel four times as far as on Earth – and you would no longer be able to ‘bend’ it,” The Guardian, 27 June 2011; también en la propia universidad “Football on Mars and other improbable research,” June 29, 2011.

Lo más curioso para mí es que el artículo se ha publicado en una revista de la propia universidad que publica artículos de dos páginas escritos por estudiantes e incluyendo una revisión por pares realizada por alumnos; me ha gustado la idea, que un grupo de estudiantes edite una revista (online) con comité editorial y revisión por pares para que otros alumnos publiquen sus primeros artículos. La revista se enmarca en una asignatura que en España llamaríamos de Libre Configuración Ad Hoc. Los alumnos aprendan a escribir artículos y a presentar su trabajo de forma técnica (fórmulas, diagramas, figuras, referencias, etc.). La primera experiencia en el mundo de las publicaciones científicas para muchos alumnos; aunque muchos de estos alumnos nunca desarrollarán una tesis doctoral, les viene muy bien aprender a escribir un artículo científico.

El último número de Physics Special Topics es el volumen 9. Las primeras ediciones fueron producidas en papel, pero ahora solo se edita online. El volumen 9 no tiene desperdicio y muchos de los artículos son muy curiosos, recomiendo un paseo si tienes un rato.

Superando el límite de difracción para ondas sonoras utilizando un paquete de latas de refrescos como “metalente”

 Para superar el límite de difracción es necesario usar ondas evanescentes, cuyos detalles espaciales son menores que la longitud de onda, pero que no se propagan y se observan alrededor de la fuente. Un experimento de baja tecnología demuestra cómo la inversión del tiempo, métodos y una gran variedad de las latas se puede utilizar para superar el límite de difracción. Un grupo de investigadores parisinos del ESPCI ParisTech dirigidos por Geoffroy Lerosey ha demostrado ahora que los sonidos audibles pueden ser manipulados y analizados con detalles tan pequeños como 1/25 de su longitud de onda λ gracias a una “metalente” formada por una serie de latas de refresco vacías (una “metalente” es un conjunto de resonadores metálicos fuertemente acoplados). Un “refrescante” experimento de baja tecnología en el que se han utilizado varios tonos cercanos a 400 Hz emitidos por ocho altavoces que rodean a una matriz de latas de refresco vacías; gracias a ellas se excitan modos resonantes con variaciones espaciales tan pequeñas como el diámetro de una lata que pueden ser registrado mediante un micrófono. Los autores del estudio creen que su trabajo puede conducir al desarrollo de nuevos diseños de sensores y actuadores inteligentes. De hecho, las ondas evanescentes ya se utilizan en la sonda de barrido de un microscopio de campo cercano para superar el límite de la difracción.

Visto en “Soda cans focus sound to subwavelength spots,” Physics Today, Jul 7, 2011. La idea de la nueva técnica ha sido extender este trabajo previo a campos acústicos: Fabrice Lemoult, Geoffroy Lerosey, Julien de Rosny, and Mathias Fink, “Resonant Metalenses for Breaking the Diffraction Barrier,” Phys. Rev. Lett. 104: 203901, May 18, 2010. El nuevo artículo también ha sido aceptado en Physical Review Letters (F. Lemoult, M. Fink, G. Lerosey, Phys. Rev. Lett., in press).

Simulaciones por ordenador de la evolución del cosmos

Volker Springel (Universidad de Heidelberg) nos presenta en “Cosmological Simulations: Successes & Tensions of ɅCDM,” PASCOS 2011, Cambridge, July 2011, el estado actual de las simulaciones de la evolución temprana del universo. Este vídeo de youtube muestra la evolución de un trozo del universo de unos miles de kilopársecs desde z=48,4 (cuando el universo tenía unos 50 millones de años) hasta el presente, z=0,0, obtenida mediante simulaciones de N-cuerpos con unas 300 mil millones de partículas. Estas simulaciones muestran resultados similares a los observados en el universo visible cuando se incluye la presencia de materia oscura y de energía oscura en dosis similares a las predichas por el modelo cosmológico de consenso (ɅCDM). En mi opinión, lo más interesante de estas simulaciones es que los cambios en los valores de los parámetros del modelo ɅCDM conducen a resultados que difieren de lo observado, lo que valida la consistencia de sus predicciones.

Hasta ahora, el récord de la simulación cosmológica con mayor número de cuerpos lo ostenta Millennium-XXL, ejecutada 12.288 núcleos del superordenador JUROPA en 2010, es decir, en el 70% de JUROPA. Este ordenador está entre los 25 supercomputadores más poderosos del mundo, según el TOP500. La simulación utilizó 6720³ (unos 303 mil millones) de partículas y costó (el equivalente secuencial de) unos 2,7 millones de horas de CPU (o unos 300 años). La simulación de 0,3 billones de objetos en interacción gravitatoria mutua es difícil de imaginar y de visualizar, pero los resultados, además de tener un enorme interés científico, también son de gran belleza plástica, como muestra la figura de abajo.

Recomiendo la charla de Volker Springel, ”Cosmological Simulations: Successes & Tensions of ɅCDM,” PASCOS 2011, Cambridge, July 2011, para más detalles sobre el estado actual de las simulaciones cosmológicas.

Por cierto, el número de hoy de Science incluye un especial sobre evolución galáctica: Maria Cruz and Robert Coontz, “A Universe of Galaxies;” Yudhijit Bhattacharjee, “Milky Way Researchers’ Home Away From Home;” Daniel Clery, “Galaxy Zoo Volunteers Share Pain and Glory of Research;” Eline Tolstoy, “Galactic Paleontology;” James S. Dunlop, “The Cosmic History of Star Formation;” y Timothy M. Heckman and Guinevere Kauffmann, “The Coevolution of Galaxies and Supermassive Black Holes: A Local Perspective.”

Hubble exonerado de plagio a Lemaitre

Un artículo de David L. Block afirmó que Edwin Hubble había censurado un artículo de Georges Lemaitre en 1927 sobre la expansión del universo y que se había apropiado de (o plagiado) dicho descubrimiento. Un nuevo libro de Giora Shaviv, que se publicará en Springer Verlag, exonera a Hubble de los cargos y afirma que ni hubo censura, ni hubo plagio. Si te interesa la historia de la ciencia quizás disfrutes con los artículos de David L. Block, “A Hubble Eclipse: Lemaitre and Censorship,” ArXiv, 20 Jun 2011, y de Giora Shaviv, “Did Edwin Hubble plagiarize?,” ArXiv, 03 Jul 2011. Tras leerlos sabrás lo que seguro ya sabes, Lemaitre era un teórico y Hubble un experimental. Aún así, la polémica está servida.

PS (13 julio 2011): Más sobre este asunto en Harry Nussbaumer, Lydia Bieri, “Who discovered the expanding universe?,” ArXiv, 12 Jul 2011.

PS (30 julio 2011): Otro más que se apunta al debate, A.D. Chernin, “Lemaître and Hubble: What was discovered – if any – in 1927-29?,” ArXiv, 28 Jul 2011.

Francis en Amazings.es: ¿Quieres saber quién la tiene más larga?

Mi último artículo en Amazings.es es ”¿Quieres saber quién la tiene más larga?,” hoy, 06 Julio 2011. Empieza “Hoy muchos hombres nos hemos mirado los dedos de la mano y hemos pensado en la longitud de nuestro pene. Algunos incluso, de reojo, le han mirado los dedos a alguno de sus amigos. Casi todos los medios de comunicación se han hecho eco de una curiosa noticia: “La mano habla de tu pene. Cuanto más similares son los dedos índice y anular, más largo es el pene.” Con titulares como los que hemos visto, ¿quién se podía resistir?… muy pocos lo han hecho. La revista impactada Asian Journal of Andrology (publicada por la editorial Nature Publishing Group) ha publicado un artículo de investigación realizado por un equipo de urólogos coreanos liderados por Tae Beom Kim, quien seguro busca un Ig Nobel con este trabajo: In Ho Choi et al., “Second to fourth digit ratio: a predictor of adult penile length.”

Si te interesa y no lo has leído ya, sigue leyendo en Amazing.es.

Por cierto, la noticia ha sido portada en Menéame (lo digo por que los comentarios … ya sabéis…). La noticia sobre el tamaño del pene, de la mano de El Mundo, fue también portada en Menéame (más comentarios… para los aficionados…). ¿Demasiados puntos suspensivos? Quizás. Se nota que no domino la elipsis.

Por primera vez se determina la viscosidad de la sangre mediante simulaciones en superordenadores

La viscosidad de la sangre es un indicador clave para el tratamiento de ciertas enfermedades. En la práctica clínica se determina mediante viscosímetros. Un estudio por ordenador de la microrreología de la sangre ha permitido predecir el valor teórico de esta viscosidad y permitirá entender la fluidodinámica no newtoniana de la sangre como una suspensión de glóbulos rojos (eritrocitos o hematíes). Las simulaciones han tenido en cuenta dos tipos de glóbulos rojos y la dinámica molecular de ciertas biomoléculas del plasma sanguíneo (como los fibrinógenos). Una vez demostrada la viabilidad del concepto, los autores del estudio pretenden analizar cómo afectan diferentes enfermedades a la microrreología de la sangre, como la malaria, el SIDA y la diabetes mellitus. También pretenden estudiar cómo afectan medicamentos anticoagulantes, como el famoso Sintrom, a la reología sanguínea, y como afecta ésta a la absorción y distribución de fármacos y medicamentos inyectados por vía sanguínea. El artículo técnico es Dmitry A. Fedosov et al., “Predicting human blood viscosity in silico,” PNAS Early Edition, 5 July 2010.

 

Las técnicas reométricas modernas permiten medir en laboratorio las propiedades macroscópicas de la sangre in vitro. Para la medida in vivo, se extrae la sangre y se inyecta de forma inmediata en un viscosímetro, pero hay que añadir estabilizadores y anticoagulantes, lo que falsea la medida en detalle de la viscosidad. Por ello, conocer la dinámica reológica de la sangre mientras fluye es muy difícil, aunque sería muy conveniente para el cardiólogo. Los glóbulos rojos son muy “pegajosos” y se agregan en conglomerados llamados “rouleaux” (similares a una pila de monedas). Las simulaciones por ordenador permiten estudiar cómo afectan estos agregados a la viscosidad de la sangre y cómo afectan diferentes biomoléculas a la formación de estos agregados. Las nuevas simulaciones consideran un flujo de Couette plano con condiciones de contorno de Lees-Edwards. Las simulaciones han sido validadas comparando sus resultados con los obtenidos in vitro por Chien et al. (como muestra la figura de arriba) y se ha verificado que es necesario incluir la formación de agregados de glóbulos rojos (RBC) para obtener un buen acuerdo entre teoría y experimento.

Las simulaciones por ordenador han utilizado dos modelos diferentes de los glóbulos rojos, un modelo multiescala tridimensional (MS-RBC) y un modelo simplificado de baja dimensión (LD-RBC). La figura de arriba muestra que los agregados pueden llegar a ser muy diferentes en ambos modelos (arriba MS-RBC y abajo LD-RBC). Esta figura también ilustra la amplia tipología de dichos agregados (“rouleaux”), que se forman y deshacen durante el flujo sanguíneo y las simulaciones por ordenador. La magnitud de las fuerzas entre glóbulos rojos involucradas en la formación y separación de los agregados ha sido estudiada con detalle. Estas fuerzas son muy pequeñas entre 3 y 7 pN (piconewton) para interacciones frontales, y entre 1,5 y 3 pN para interacciones tangenciales. Pero estas fuerzas deforman la pared celular elástica de los glóbulos rojos y dicha deformación es importante en la formación de agregados.

En resumen, un interesante artículo que muestra los avances en las simulaciones por ordenador de la microrreología de suspensiones. Aunque el artículo técnico no ofrece muchos detalles informáticos sobre las simulaciones, indica que se ha utilizado el superordenador Kraken del Instituto Nacional de Computación Científica de la NSF situado en la Universidad de Tennessee, EE.UU. Se trata de un Cray XT5 que alcanza un pico de 1,17 petaflops, constituido por 9.408 nodos (opterones Istanbul de AMD con seis núcleos a 2,6 GHz), cada uno con 16 GB de memoria RAM (en total son 147 TB) y con 2,4 PB de disco duro. También se han utilizado facilidades de supercomputación en Alemania.

¿Matará a un peatón una moneda de dos euros que caiga desde un edificio muy alto?

No, no le matará, pero desgarrará su piel y puede que el impacto deje una marca en su cráneo si le cae en la cabeza. El famoso mito que afirma que un penique que cae desde el Empire State en Nueva York puede matar a una persona, o clavarse en el asfalto, fue desmentido por los Cazadores de Mitos (Mythbusters en youtube). Un penique en caída libre alcanza una velocidad terminal (el porqué del funcionamiento de un paracaídas) debido a la resistencia del aire que impide que cause daño alguno; ni siquiera puede atravesar la piel de la mano (como demuestran en el vídeo los cazadores de mitos en sus propias carnes). Sin embargo, puede que te preguntes, ¿qué pasará si en lugar de un penique es una moneda de 10 céntimos de euro, o una de 1 euro? Para obtener la respuesta, en lugar de hacer el experimento, podemos realizar algunos cálculos matemáticos sencillos. Para ello podemos seguir el artículo de Grant Macklem y Nathan Janos, “A Penny in Free Fall,” 1997, o el más reciente (que es el que yo he seguido) de unos estudiantes de la Universidad de Leicester llamados J.C. Coxon, J.F. Barker y T.M. Conlon, “The Penny Drops,” Journal of Physics Special Topics, Feb 16, 2011.

Obviando las fórmulas, fáciles de aplicar gracias a la tabla de la derecha, podemos ir directamente al resultado: un céntimo de euro tiene una velocidad límite de 44,56 km/h, e impacta de canto con una presión de 10,2 MPa (megapascales). La piel humana resiste presiones de hasta 20,89 ± 4,11 MPa, por lo que un céntimo ni siquiera rasgará la piel (igual que ocurre con un penique); de hecho, ni siquiera causará un cardenal (como se ve en el vídeo de Mythbusters).

Una moneda de 10 céntimos tiene una velocidad límite de 48,95 km/h, e impacta de canto con una presión de 14,97 MPa, por lo que tampoco logra rasgar la piel humana (aunque el golpe debe doler y quizás causará un cardenal). Una moneda de 20 céntimos alcanzará 51,41 km/h, e impactará con una presión de 17,90 MPa, que rasgará la piel de quienes tengan la piel delicada. Una moneda de 50 céntimos alcanzará 54,99 km/h, e impactará con 21,03 MPa, luego rasgará la piel y dejará una buena marca.

Una moneda de un euro alcanzará una velocidad límite de 56,23 km/h, e impactará con una presión de 21,58 MPa. Finalmente, una moneda de dos euros, alcanza 54,06 km/h, e impacta con 26,37 MPa. Estas monedas rasgarán la piel y hará bastante daño pero no atravesarán el hueso del cráneo y no causarán la muerte.

Los profesores de física pueden proponer a sus alumnos la repetición de estos cálculos y quizás la experimentación práctica en laboratorio.

Cuándo se publicará la primera búsqueda combinada ATLAS+CMS para el bosón de Higgs

Todo indica que se hará pública en la conferencia EPS-HEP 2011 (Europhysics Conference on High-Energy Physics, 21-27 de julio), quizás en la charla de las 15:30 del 21 de julio “Higgs searches,” aunque también puede que la retrasen a la charla plenaria del 27 de julio, “Higgs searches at the LHC“ (el mismo día, justo antes, será “Higgs searches at the Tevatron“). El 26 de mayo de 2011, en el LHC-HCG meeting (HCG por Higgs Combination Group) se anunció que el primer informe técnico estaría disponible el 13 de junio y el borrador estaría circulando el 20 de junio para su revisión por parte de las colaboraciones de ATLAS y CMS (supongo que se habrán cumplido estas fechas). Tras el proceso de revisión/corrección, el artículo debería estar listo para el 21 de julio. Un segundo artículo se prevee para el 22 de agosto en el congreso Lepton Photon 2011 (LP11); podría ser el mismo artículo o una versión actualizada. Los éxitos en la búsqueda del Higgs en el Tevatrón del Fermilab se han obtenido gracias a la combinación estadística de los resultados obtenidos por sus dos grandes experimentos, CDF y DZero. Los grandes éxitos en la búsqueda del Higgs en el LHC del CERN se obtendrán gracias a la combinación de los resultados obtenidos por sus dos grandes experimentos ATLAS y CMS (y quizás también con LHCb).

¿Qué podemos esperar de la publicación de esta primera búsqueda combinada ATLAS+CMS del Higgs? No sé cuántas colisiones serán utilizadas, pero asumo que al menos 0,5 /fb de cada experimento, totalizando 1 /fb de datos. En dicho caso la tabla presentada por Guenakh Mitselmakher (CMS Collab.) que abre esta entrada indica que se podría excluir un Higgs con una masa en el intervalo [120, 530] GeV/c² al 95% C.L. (un intervalo mucho mayor que el que se espera que publique la combinación CDF+DZero del Tevatrón). Creo que se puede descartar un descubrimiento temprano, pues solo se podría obtener en el rango de masas [152, 175] muy poco probable según los resultados de exclusión actuales del Tevatrón y los tests de precisión electrodébil (el ajuste entre experimentos y predicciones teóricas del modelo estándar). Para LP11 podrían combinarse al menos 1 /fb de datos de cada experimento, totalizando 2 /fb, lo que permitiría excluir un Higgs en un amplio intervalo de masas, [114, 585] GeV/c² al 95% C.L. (aunque muchos esperamos que no sea posible llegar tan lejos por la parte de baja masa porque aparezca algún tipo de señal alrededor de los 120 GeV/c²).

En resumen, habrá que estar al loro, este verano promete ser apasionante.

Parada técnica tras una intensa semana de pruebas sin colisiones en el LHC del CERN

Hoy se inicia una parada técnica programada de cuatro días, tras una semana dedicada a pruebas técnicas con vistas a seguir incrementando la luminosidad de la máquina y ajustando sus parámetros, lo que llaman Desarrollo de la Máquina (Machine Development). Se han hecho gran número de pruebas, como inyectar 216 paquetes de protones separados por 25 ns (hasta ahora en 2011 se ha usado 50 ns), compresión (squeezing) de los haces con β* = 0,30 m (hasta ahora se ha usado 1,5 m) y se ha duplicado el número de protones por haz, entre otras pruebas. El 15 de julio, en el Mini-Chamonix se decidirá cómo continuar. Hay tres opciones: (1) continuar con 50 ns pero duplicar la luminosidad por paquete, (2) pasar a 25 ns y reaprender a usar la máquina, y (3) reducir el valor de  β*. En mi opinión, no soy ni experto ni trabajo en el LHC, en Mini-Chamonix se decidirá seguir la opción (1) durante 2011, la más conservadora, y dejar (2) y (3) para el próximo año; pero, ojo, que es mi opinión personal, todavía no se sabe nada oficial al respecto y cualquiera de las tres opciones es segura (en 2010 la seguridad fue la prioridad, pero esto año se han acelerado las cosas y todo ha ido muy bien). El viernes se reanudan las colisiones.

Como hay poco más que decir sobre el LHC la semana pasada, he decidido abrir esta entrada con dos figuras de la última semana de colisiones (hace dos semanas). Este año se han suministrado 1282 /pb y 1267 /pb a los dos grandes experimentos, ATLAS y CMS, resp., y 430 /pb y 2,3 /pb para LHCb y ALICE, resp. También se suministraron colisiones a los pequeños experimentos TOTEM y ALFA. A la derecha aparece el histograma de la duración de las 100 las inyecciones (fills) con haces estables para colisiones durante este año. La mitad (50) no han superado las 6 horas de duración y solo 10 han superado las 15 horas de duración. El penúltimo (fill #1900) fue el más largo, 19:54 horas, y fue parado por los operadores; el último (fill #1901) también fue cortado por los operadores, aunque solo duró 13:48 horas. Abajo tenéis las figuras correspondientes a estas inyecciones (más detalles en esta web).

Strings 2011, el resumen de Jeff Harvey: Poca teoría de cuerdas, poca física fundamental y mucha matemática

 

La edición de 2011 del congreso Strings se ha celebrado en Uppsala, Suecia, la semana pasada. Jeff Harvey resume el congreso parafraseando a Monty Python: “No, he’s not dead, he’s resting” (la teoría de cuerdas no está muerta, está descansando). Harvey espera que ocurra un milagro en el LHC del CERN en los próximos años, o en el análisis matemático de las soluciones para el vacío, que logre que la teoría de cuerdas renazca de sus cenizas cual ave fénix, más viva que nunca. El vídeo de todas las charlas está disponible en la web para todos los interesados. La mayoría de las charlas son muy técnicas, aún así, si te apetece, podrás disfrutar de las charlas de Edward Witten, Juan Maldacena, Michael Green, Brian Greene, David Gross, Frank Wilczek, Nathan Seiberg, Andrei Linde, Erik Verlinde, Ashoke Sen, y muchos otros.

Un buen punto de partida es la última charla, resumen del congreso, de Jeff Harvey. Según Jeff en los últimos 16 años, con el descubrimiento de que la teoría de cuerdas incluye branas, ha cambiado la definición de la teoría y ahora en lugar de una teoría de todo que unifica toda la física, más bien es el límite para N grande de una teoría gauge  (N se refiere al el número de “cargas de color” en una teoría cuántica de campos basada en el grupo de Lie SU(N), una generalización de la cromodinámica cuántica, la teoría de los quarks y gluones). Por ello en Strings 2011 se ha hablado más de branas que de cuerdas, más de la dualidad gravedad/gauge (AdS/CFT) para calcular amplitudes de dispersión que de física fundamental, más de Alexander Goncharov que de Edward Witten.

Los progresos recientes en las técnicas para calcular amplitudes de dispersión (Niklas Beisert, Henriette Elvang, Michael Green, Henrik Johansson, Anastasia Volovich), que reformulan la teoría de perturbaciones en teoría cuántica de campos, han sido enormes, aunque aún no se conoce el principio físico fundamental que subyace a dichos progresos, si es que hay alguno. Según Jeff Harvey en los próximos años cambiará completamente nuestra manera de entender la teoría de perturbaciones y este cambio acabará reflejado en los libros de texto. La finitud de la teoría supersimétrica de Yang-Mills con N=8 supersimetrías (N=8 SYM) hasta 5 bucles (loops) ya no es un milagro y se entiende su origen (ciertas simetrías en las amplitudes), pero ya se sabe que no funciona para 7 bucles (se necesita un nuevo milagro, nuevas simetrías) y para más de 7 bucles quizás se necesiten infinitos nuevos milagros. En cuanto a las teorías N=4 SYM el progreso está bastante estancado (en opinión de Jeff Harvey) aunque se han aplicado técnicas muy ambiciosas y prometedoras (teoría de perturbaciones, AdS/CFT, integrabilidad, nuevas simetrías, etc.); habrá que esperar a futuros congresos Strings para ver si acaban funcionando como se desea.

La teoría de cuerdas como rama de las matemáticas, o de la matemática física, también ha copado muchas charlas en Strings 2011 (Sergio Cecotti, Miranda Cheng, Davide Gaiotto, Sergei Gukov, Greg Moore, Alexei Morozov, Samson Shatashvili, Dimitrios Tsimpis, Edward Witten). Gracias a la teoría de cuerdas se han podido conectar diversas ramas de las matemáticas, en apariencia alejadas, lo que ha permitido importantes progresos en dichas ramas (homología de Khovanov, formas modulares de Mock, motivos, categorificación, teoría de Chern-Simons no compacta, etc.). Por ejemplo, las conexiones entre los grupos esporádicos (como Moonshine) y la supersimetría o las compactificaciones más realistas son muy sugerentes, pero por ahora estos avances matemáticos no tienen un reflejo en la física fundamental. Se pregunta Jeff Harvey de forma elocuente: “What is going on?” (¿Qué está pasando?”).

La única oportunidad para progresar en teoría de cuerdas desde el punto de vista experimental es la cosmología y los futuros resultados del satélite Planck sobre la inflación cósmica (que permitirá explorar la escala de Planck). Algunas charlas han tratado de progresar en las soluciones cosmológicas en teoría de cuerdas compatibles con un espacio de De Sitter (Mariana Grana, Brian Greene, Andrei Linde, Juan Maldacena, Liam McAllister, Gary Shiu), pero los progresos son más lentos de lo esperado y hay muchos escépticos. Las soluciones cosmológicas con inflación en teoría de cuerdas son extremadamente complicadas y su comparación con datos experimentales parece muy difícil.

Los teóricos de cuerdas esperan que el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN descubra la supersimetría, pero lo que parece seguro es que entre 2011 y 2012 se encontrará el bosón de Higgs (Frank Wilczek, Fabio Zwirner). Según Jeff Harvey hay muchas razones para esperar que el LHC encuentre física más allá del modelo estándar (algo más que el Higgs) pero lo que no está claro es que pueda hacerlo en los próximos dos años.

También se han presentado progresos en ciertas teorías supersimétricas en esferas (Davide Gaiotto, Sergei Gukov, Marcos Marino, Greg Moore, Vasily Pestun, Nathan Seiberg) y sobre la entropía de los agujeros negros (Subir Sachdev, Ashoke Sen). De hecho, los aspectos de la teoría de cuerdas reconocibles para un teórico de cuerdas anterior a 1998, como las compactificaciones o la dualidad T, también han aparecido en algunas charlas (Mariana Grana, Brian Greene, Chris Hull, Andrei Linde, Liam McAllister, Gary Shiu, Dimitrios Tsimpis, Frank Wilczek, Fabio Zwirner). Según Jeff Harvey muchos de estos problemas clásicos en teoría de cuerdas aún requieren futuros avances y/o ideas.

Las aplicaciones de la dualidad gauge/gravedad (CFT/AdS) a campos alejados de la teoría de cuerdas, como la física de la materia condensada, han crecido mucho en los últimos años (Rajesh Gopakumar, Mariana Grana, Thomas Klose, Marcos Marino, Shiraz Minwalla, Yaron Oz, Vasily Pestun, Subir Sachdev, Tadashi Takayanagi, Erik Verlinde). Este progreso es importante para la teoría de cuerdas pues permitirá estudiar en laboratorio las propiedades de análogos a los agujeros negros y si la teoría de cuerdas describe correctamente sus propiedades cuánticas. Aunque desde un punto de vista teórico todavía no se entienden los fundamentos en detalle la dualidad gauge/gravedad.

Los progresos en aplicaciones de la dualidad AdS/CFT son importantes en muchos campos, no solo en física de la materia condensada. Jeff Harvey destaca el caso de la física de fluidos y el artículo de Lehner y Pretorious sobre “cuerdas negras” (black strings, Phys. Rev. Lett. 105, 101102 ,2010); el horizonte de sucesos sufre una inestabilidad que se puede modelar por las ecuaciones de Ginzburg-Landau y genera una secuencia autosemejante de horizontes en horizontes. Estos resultados son muy similares al problema del ”pinzado” (pinch-off) de un chorro líquido que da lugar a la formación de gotas; se produce un “cuello” (neck) que da lugar a otro y a otro, con un comportamiento autosemejante similar. La analogía la ilustra muy bien esta figura de Jeff. Muy sugerente, sin lugar a dudas.

He de confesar que me gustó más el congreso Strings 2010 (Texas), aquí las charlas en vídeo, y eché de menos que en Strings 2009 (Roma) no se grabaran los vídeos de las charlas.

PS (5 julio 2011): El programa de Strings 2011 ya incluye las tranparencias de las charlas en pdf.

Confirmada a 4 sigma la asimetría CP en los mesones Bs neutros tras analizar 9 /fb de colisiones en DZero del Tevatrón en el Fermilab

El modelo estándar de las partículas elementales predice un valor de −0,028 ± 0,005 pero el experimento DZero del Tevatrón en el Fermilab ha obtenido un valor de −0,787 ± 0,172 (stat) ± 0,093 (syst), que difieren en 3,9 σ (desviaciones estándares), es decir, con una confianza estadística del 99,99%. Casi un descubrimiento definitivo (que requiere 5  σ), este resultado indica que la violación de la simetría CP en la física de los mesones Bs neutros, formados por un par quark-antiquark de tipo bottom (b) y extraño (s), es mucho mayor de lo predicho por el modelo estándar. Aún no se conoce el origen de esta asimetría CP y por qué solo parece actuar sobre los mesones Bs, pero dicha fuente podría ser la responsable de la asimetría entre materia y antimateria en el universo temprano. En1964, los físicos Christenson, Cronin, Fitch, y Turlay descubrieron una asimetría CP similar en los mesones K neutros, compuestos de un par quark-antiquark strange (s) y down (d), pero dicha asimetría es más débil de lo necesario para explicar la asimetría observada en el universo entre materia y antimateria, lo que sugiere que debe haber otras asimetrías CP adicionales y la nueva asimetría en mesones Bs podría ser la respuesta. Os recuerdo que la asimetría CP indica que el mesón Bs formado por un quark b y un antiquark s se desintegra de forma diferente al formado por un quark s y un antiquark b. Los dos experimentos del Tevatrón, CDF y DZero, han observado esta anomalía. Seguramente durante este verano se publicarán resultados sobre ella en los experimentos del LHC del CERN, en concreto ATLAS, CMS y sobre todo LHCb; para finales de este año sabremos de forma definitiva si esta anomalía existe. Muchos creen que el primer gran resultado científico del LHC del CERN será la confirmación de esta anomalía y de que tiene la magnitud suficiente para explicar la asimetría entre materia y antimateria en el universo. Los interesados en detalles técnicos pueden consultar el artículo técnico DZero Collaboration, “Measurement of the anomalous like-sign dimuon charge asymmetry with 9 fb^-1 of p pbar collisions,” ArXiv, 30 Jun 2011 [todas las figuras del estudio]. También recomiendo consultar la charla de Bruce Hoeneisen, “Measurement of the anomalous like-sign dimuon charge asymmetry with 9 /fb of p-pbar collisions,” Fermilab Wine & Cheese, 30 June 2011.

Figura de Tommaso Dorigo en http://tinyurl.com/5s6ycwt .

El descubrimiento de DZero se ha basado en estudiar los mesones Bs que decaen en pares de muones (espectro dimuónico). La figura de arriba muestra dos maneras en las que un mesón Bs puede decaer de esta forma. En el espectro de dimuones se esperaría observar un pico alrededor de 5,3 GeV (la masa del mesón Bs) pero lo que se observa es un valor plano, sin pico, lo que indica que en la desintegración de estos mesones debe aparecer alguna partícula que no es detectada que se lleva parte de la energía de la desintegración y aplana el espectro (esta partícula, sea X, debería ir acompañada de algún neutrino, que tampoco sería detectado). ¿Qué puede ser esa partícula X desconocida? No se sabe aunque hay varias posibilidades, una de ellas es que se trate de una partícula supersimétrica. Sólo la confirmación y el análisis detallado por parte del experimento LHCb de esta anomalía podría determinar la respuesta correcta. Hay que recordar que en las colisiones protón-protón del LHC se produce un bosón Bs que decae en dos muones más o menos una vez cada tres mil millones de colisiones.

Más información en Jester, “D0: 4 sigma like-sign dimuon anomaly!,” Résonaances, 1 July 2011; Lubos Motl, “D0: a 4-sigma evidence for new CP violation in like-sign dimuons,” The Resonance Frame, 30 June 2011; Don Lincoln, “New Tevatron collider result may help explain the matter-antimatter asymmetry in the universe,” Symmetry Breaking, June 30, 2011; y en otros foros.

Un nuevo mecanismo por el que los aviones influyen en las nubes y producen nevadas

Las estelas blancas de condensación producidas por los aviones (contrails) influyen en la formación de nubes. Investigadores de EE.UU. han descubierto que los aviones, cuando atraviesan nubes con agua superenfriada (en estado líquido por debajo del punto de congelación) producen agujeros donde se forman cristales de hielo que crecen y pueden dar a lugar a nubes productoras de nieve. Heymsfield et al. publican en Science sus resultados obtenidos gracias al análisis de imágenes de satélites y a simulaciones numéricas por ordenador. Cuando un avión atraviesa la cobertura nubosa, las partículas de hielo crecen absorbiendo calor latente y debido a la convección producen un agujero como el mostrado encima de la Antártida en la figura de arriba (estos agujeros han sido observados en múltiples ocasiones desde hace unos 50 años). También se puede dar el fenómeno contrario, la siembra de nubes accidental en un cielo despejado. Heymsfield et al. detallan en su artículo mecanismos plausibles para la formación, desarrollo y duración de estos fenómenos, gracias a comparar datos experimentales con resultados de simulaciones por ordenador. Según este trabajo, el efecto climático (o global) de este fenómeno es despreciable, aunque puede ser importante a nivel local, cerca de los aeropuertos más importantes, donde se puede inducir un incremento en las nevadas. El artículo técnico es Andrew J. Heymsfield et al., “Formation and Spread of Aircraft-Induced Holes in Clouds,” Science 333: 77-81, 1 July 2011. Más información en español en “El paso de los aviones por nubes muy frías favorece que nieve,” SINC, 30 junio 2011.

Esta figura muestra los resultados de las simulaciones por ordenador para la aparición y crecimiento de agujeros en las nubes (izquierda) y para la siembra de nubes (derecha). Estas simulaciones se basan en un proceso llamado Bergeron-Findeisen (B-F): si se introduce hielo en una nube superenfriada, las gotas del líquido estarán subsaturadas con respecto al hielo, por lo que el líquido se evaporará, condensará y enfriará formando pequeños cristales de hielo que se pondrán a crecer. Este proceso es la razón por la que se forman nubes que convierten gotas superenfriadas en nieve. En estas figuras el rectángulo gris tiene aristas de 14,5 km y 7,5 km.